Catalytic valorization of natural gas and biomass-derived feedstocks by metal oxides

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral se sitúa en el marco de la actual transición energética, que plantea la sustitución progresiva de materias primas de origen fósil por fuentes renovables, tanto para la obtención de productos químicos como para la producción de combustibles. En este contexto de transición paulatina a las renovables, y teniendo en cuenta los últimos pronósticos, las fuentes fósiles (fundamentalmente gas natural) y derivados de la biomasa, jugarán un papel fundamental durante el cambio. Se ha llevado a cabo un estudio sobre el empleo de óxidos metálicos (basados en bronces de wolframio o en óxido de níquel), como catalizadores para: i) la transformación de derivados de biomasa: de glicerol a acroleína/ácido acrílico; y de compuestos oxigenados de cadena corta presentes en efluentes acuosos (procedentes de tratamientos de extracción de bio-aceites de pirolisis) a combustibles; y ii) la transformación de componentes del gas natural, concretamente la obtención de etileno a partir de etano, mediante deshidrogenación oxidativa (ODH). El trabajo se presenta desde una perspectiva de la química de materiales, haciendo hincapié en las propiedades fisicoquímicas de los distintos sistemas catalíticos, empleando técnicas de caracterización convencionales e in situ, además de reacciones modelo (transformación de metanol y etanol), con el objetivo de entender las funciones catalíticas presentes en cada caso. Tanto para la transformación de glicerol en fase gas, como para la valorización de mezclas acuosas de compuestos oxigenados de cadena corta, se han utilizado catalizadores basados en bronces de wolframio. Se ha tratado de poner de manifiesto la gran versatilidad composicional y estructural (con el consiguiente control de las propiedades funcionales), que presentan este tipo de materiales. En este sentido, las propiedades ácidas y redox de catalizadores W-V-O pueden ser moduladas, para una misma concentración de vanadio, mediante el control de la relación de fases cristalinas (hexagonal y monoclínica) del óxido de wolframio. Este efecto se ha estudiado empleando la transformación aeróbica de metanol como reacción "test", y tiene una gran influencia en la deshidratación oxidativa de glicerol a ácido acrílico. A su vez, mediante la sustitución isomórfica de wolframio por niobio (en el sistema WO3-Nb2O5) es posible controlar la relación de centros ácidos de tipo Brönsted y Lewis en la superficie de los materiales. Por un lado, los catalizadores con una alta relación Brönsted/Lewis se han mostrado más efectivos en la deshidratación de glicerol a acroleína, mientras que los catalizadores con altas concentraciones de centros de tipo Lewis presentan altos rendimientos a productos de condensación de compuestos oxigenados de cadena corta. Adicionalmente se han estudiado las diferencias entre catalizadores (bien óxidos mixtos W-V-O o W-Nb-O) preparados mediante un método hidrotermal o mediante reflujo, así como el efecto de la utilización de un soporte mesoporoso (KIT-6), sobre sus propiedades catalíticas en la transformación aeróbica en fase gaseosa de etanol y glicerol. Finalmente, en lo que concierne a la transformación de componentes del gas natural, se han empleado materiales basados en óxido de níquel (soportado sobre distintos óxidos y/o promovido con distintos metales) como catalizadores para la ODH de etano. En este caso el estudio se ha centrado fundamentalmente en dilucidar los efectos de promotores y soportes en la naturaleza y propiedades fisicoquímicas del óxido de níquel, los cuales dan lugar a un cambio drástico en sus propiedades catalíticas. Así, se ha observado que modificando la reducibilidad y las características superficiales del óxido de níquel es posible transformar un catalizador muy poco selectivo en la ODH de etano (como es el NiO, con una selectividad a etileno del 30 %) en uno de los catalizadores más selectivos para llevar a cab

[CA] Aquesta tesi doctoral es situa dins del marc de l'actual transició energètica, la qual planteja la substitució progressiva de les primeres matèries d'origen fòssil per fonts renovables, tant per a l'obtenció de productes químics com per a la producció de combustibles. En aquest context de transició gradual a les renovables, i tenint en compte els últims pronòstics, les fonts fòssils (principalment el gas natural) i els derivats de la biomassa, exerciran un paper fonamental durant aquest canvi. S'ha dut a terme un estudi sobre la utilització d'òxids metàl·lics (basats en bronzes de wolframi o en òxid de níquel), com a catalitzadors per a: i) la transformació de derivats de la biomassa: de glicerol a acroleïna/àcid acrílic; i de compostos oxigenats de cadena curta presents en efluents aquosos (procedents de tractaments d'extracció de bio-olis de la piròlisi) a combustibles; i ii) la transformació de components del gas natural, concretament l'obtenció d'etilè a partir d'età, mitjançant la deshidrogenació oxidativa. El treball es presenta des del punt de vista de la química de materials, posant l'accent en les propietats fisicoquímiques dels diferents sistemes catalítics, utilitzant tècniques de caracterització convencionals i in situ, a més de reaccions model, amb l'objectiu d'entendre les funcions catalítiques presents en cadascun dels casos. Tant per a la transformació del glicerol en fase gasosa com per a la valorització de les mescles aquoses de compostos oxigenats de cadena curta, s'han utilitzat catalitzadors basats en bronze de wolframi. S'ha intentat posar de manifest la gran versatilitat de composicions i estructures (amb el conseqüent control de les propietats funcionals) que presenten aquest tipus de materials. En aquest sentit, les propietats àcides i redox dels catalitzadors de W - V - O poden ser modulades, per a una mateixa concentració de vanadi, mitjançant el control de la relació de fases cristal·lines (hexagonal i monoclínica) de l'òxid de wolframi. Aquest efecte s'ha estudiat utilitzant la transformació aeròbica de metanol com a reacció "test", i presenta una gran influència en la deshidratació oxidativa de glicerol a àcid acrílic. Al mateix temps, mitjançant la substitució isomòrfica de wolframi per niobi (en el sistema WO3 - Nb2O5), és possible controlar la relació de centres àcids de tipus Brönsted i Lewis en la superfície dels materials. Per una part, els catalitzadors que presenten una relació Brönsted / Lewis alta s'han mostrat més efectius en la deshidratació de glicerol a acroleïna, mentre que els catalitzadors amb unes altes concentracions de tipus Lewis presenten alts rendiments a productes de condensació de compostos oxigenats de cadena curta. Addicionalment, s'han estudiat les diferències entre catalitzadors (ja siguin òxids mixtos W-V-O o W-Nb-O) preparats mitjançant un mètode hidrotermal o mitjançant un mètode de reflux, així com l'efecte que presenta la utilització d'un suport mesoporós (KIT-6), sobre les seves propietats catalítiques en la reacció de transformació aeròbica en fase gasosa d'etanol i glicerol. Finalment, pel que fa referència a la transformació de components del gas natural, s'han utilitzat materials basats en òxid de níquel (suportat sobre diferents òxids i/o promoguts amb diferents metalls) i catalitzadors per a la deshidrogenació oxidativa d'età. En aquest cas, l'estudi s'ha focalitzat principalment en dilucidar els efectes de promotors i suports en la naturalesa i propietats fisicoquímiques de l'òxid de níquel, els quals impliquen un canvi dràstic en les seves propietats catalítiques. Així doncs, s'ha observat que modificant la reductibilitat i les característiques superficials de l'òxid de níquel és possible transformar un catalitzador molt poc selectiu en la deshidrogenació oxidativa de l'età (com és el cas del NiO, amb una selectivitat a l'etilè del 30%) en un dels cata

[EN] The present doctoral thesis is set within the scope of the current energy transition, which considers the progressive substitution of non-renewable fossil sources by renewable feedstocks for the production of chemicals and fuels. In this context of gradual transition, and according to recent energy outlooks, fossil sources (especially natural gas) and biomass feedstocks will play a key role during the shift. A study on the use of metal oxides (based on tungsten bronzes or nickel oxides) as catalysts for different reactions has been conducted. Particularly, they have been studied as catalytic materials for: i) the transformation of biomass-derived feedstocks: glycerol transformation into acrolein/acrylic acid, and the transformation of short-chain oxygenates present in aqueous effluents (derived from extraction processes of pyrolysis bio-oils) into fuels; and ii) the valorization of natural gas components, i.e. the transformation of ethane into ethylene by oxidative dehydrogenation. The work is presented from a materials chemistry perspective, emphasizing the physicochemical characteristics of the different catalytic systems by using conventional and in situ characterization techniques and model reactions (gas phase methanol and ethanol transformation); with the aim of understanding the specific catalytic functionalities present in each case. For both gas phase glycerol transformation and the valorization of short-chain oxygenates aqueous mixtures, catalyst based on tungsten oxide bronzes have been used. The compositional and structural versatility of this structural types (with the subsequent control of their functional properties) will be highlighted. In this sense, the acid-redox properties of W-V-O catalysts can be modulated by controlling the crystalline phase composition in the materials (i.e. hexagonal and monoclinic polymorphs of tungsten oxide) at a fixed V concentration. This effect has been studied by using the gas-phase aerobic transformation of methanol as a surface test reaction. The concentration of the hexagonal and monoclinic polymorphs in the catalysts has also an important influence in the gas-phase transformation of glycerol into acrylic acid. Also, it is possible to control the Brönsted/Lewis acid nature of the surface by the isomorphic substitution of Nb for W in WO3-Nb2O5 system. On the one hand, catalysts showing a higher proportion of Brönsted acid sites are more effective in the glycerol dehydration to acrolein. On the other hand, materials with a higher concentration of Lewis acid sites display high yields to condensation products in the aqueous phase valorization of short chain oxygenates. Additionally, the differences between W-V-O and W-Nb-O catalysts prepared by both reflux and hydrothermal methods have been studied. Also the effect of adding a mesoporous KIT-6 silica as support on the catalytic performance in the gas phase transformation of ethanol and glycerol will be underlined. Considering the transformation of natural gas components, nickel oxide-based materials were chosen (either supported on different oxides and/or promoted with different metals) to perform the oxidative dehydrogenation (ODH) of ethane. In this case the study has been focused on elucidating the effects of both promoters and supports on the nature and physicochemical features of nickel oxide, which lead to a drastic change in the catalytic behavior of these materials. This way, it has been observed that by the modification of the reducibility and the chemical nature of nickel oxide, it is possible to transform an apparently non-selective catalyst in the ODH of ethane (like NiO, showing a selectivity to ethylene of ca. 30 %) into one of the most selective catalysts reported in the literature (presenting a selectivity to ethylene of ca. 90 %).