Diseño de catalizadores y adsorbentes zeolíticos para la eliminación selectiva de óxidos de nitrógeno

[ES] Hoy en día, nuestra sociedad se enfrenta al gran reto de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, con el fin de minimizar el impacto del cambio climático. En este sentido, no sólo será importante una transición del uso de los combustibles fósiles a otras fuentes de naturaleza renovable, sino también en ser más eficientes en el control de las emisiones de gases de efecto invernadero, como por ejemplo los óxidos de nitrógeno (NOx). Para conseguir estos objetivos, la catálisis es una herramienta imprescindible y, en particular, el diseño racional de catalizadores heterogéneos, como son las zeolitas. En este sentido, en esta tesis doctoral se presentarán diferentes metodologías, algunas de ellas apoyadas en técnicas de inteligencia artificial, para desarrollar nuevos materiales zeolíticos y mejorar los procedimientos de síntesis de estos materiales, para su aplicación en la eliminación selectiva de NOx. En un primer lugar, se describirá el control de la competición de fase en la síntesis de zeolitas gracias al uso de técnicas de inteligencia artificial, en particular para las estructuras zeolíticas CHA y AEI, ambos materiales en aplicación comercial para la eliminación selectiva de NOx en vehículos con motores de combustión diésel de servicio ligero ("light-duty"), normalmente centrado en el transporte de pasajeros. Para ello, se realizará un estudio exhaustivo de los agentes directores de estructura orgánicos (ADEOs) descritos en la literatura, con el fin de mejorar la preparación de dichos dos materiales. Por otro lado, se racionalizará una nueva familia de materiales intercrecidos con distintos enriquecimientos de fase CHA/AEI de forma controlada, con propiedades catalíticas mejoradas para la eliminación de NOx en vehículos diésel de servicio ligero ("light-duty"). En un segundo lugar, se racionalizará la síntesis de los materiales con estructura CHA con relaciones de Si/Al bajas o intermedias (Si/Al~5), catalizadores con gran interés en la actualidad para su aplicación en vehículos diésel de servicio pesado ("heavy-duty"), centrado principalmente en transporte de mercancías (por ejemplo, camiones). En concreto, se optimizará el procedimiento de síntesis de la estructura CHA utilizando moléculas orgánicas económicas y no convencionales, y se llevará a cabo un estudio detallado para entender los mecanismos de nucleación y cristalización durante el proceso de síntesis de este material tan interesante para la reducción catalítica selectiva de los NOx con amoniaco. Los catalizadores basados en zeolitas utilizados tanto en aplicaciones "light-duty" como "heavy-duty", presentan una limitada actividad catalítica a temperaturas por debajo de los 200°C. Es por ello que las actuales exigencias medioambientales obligan a reducir las emisiones durante la etapa de encendido del motor ("cold-start"), y, por tanto, en el último capítulo de la tesis, se estudiará el diseño de materiales zeolíticos con especies de Pd para su aplicación en la adsorción a bajas temperaturas de esos contaminantes. De manera que los contaminantes se desorberán a temperaturas altas, siendo entonces eliminados eficientemente por los catalizadores para la eliminación catalítica selectiva diseñados previamente.

[CA] Hui dia, la nostra societat s'enfronta a la necessitat de substituir progressivament les matèries primeres fòssils tradicionals per altres de naturalesa renovable. Esta transició cap a una economia sostenible és deguda no solament al possible esgotament d'estos recursos fòssils, sinó també a qüestions mediambientals, com el compromís de reduir les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle, com per exemple els òxids de nitrogen (NOx) o el CO2. Per a aconseguir estos objectius, la catàlisi és una ferramenta imprescindible i, en particular, el disseny racional de catalitzadors heterogenis, com són les zeolites. En este sentit, es donarà suport als estudis d'esta tesi doctoral amb tècniques d'intel·ligència artificial per a desenvolupar nous materials zeolítics i millorar els procediments de síntesis d'estos materials respecte als processos actualment descrits en la literatura. En un primer lloc, es descriurà el control de la competició de fase en la síntesi de zeolites gràcies a l'ús de tècniques d'intel·ligència artificial, en particular per a les estructures zeolítiques CHA i AEI, dos materials en aplicació comercial per a l'eliminació selectiva de NOx en vehicles amb motors de combustió dièsel de servici lleuger ("light-duty"), normalmente centrats en el transport de passagers. Per a això, es realitzarà un estudi exhaustiu dels agents directors d'estructura orgànics (ADEOs) descrits en la literatura, amb la finalitat de racionalitzar la preparació d¿eixos dos materials. D'altra banda, s'aconseguirà preparar una nova família de materials intercrescuts amb propietats millorades i amb enriquiment de fase CHA/AEI controlada. Tots estos materials serviran per a millorar les propietats o els costos de preparació dels catalitzadors que s'utilitzen actualment per a vehicles dièsel de servici lleuger ("light-duty"). En un segon lloc, es racionalitzarà la síntesi dels materials amb estructura CHA amb relacions Si/Al baixes o intermèdies (Si/Al~5), amb interés actual en la seua aplicació en vehicles dièsel de servici pesat ("heavy-duty"), centrat principalment en transport de mercaderies (per exemple, camions). En concret, s'optimitzarà el procediment de síntesi d'este material utilitzant molècules orgàniques econòmiques i no convencionals, i es durà a terme un estudi detallat per a entendre els mecanismes de nucleació i cristal·lització durant el procés de síntesi d'este material tan interessant per a la reducció catalítica selectiva dels NOx amb amoníac. Finalment, i a causa de les actuals exigències mediambientals, s'han desenvolupat noves metodologies alternatives per a l'eliminació de NOx, com, per exemple, l'adsorció a baixes temperatures d'estos contaminants. Per a això, s'han estudiat diferents catalitzadors de naturalesa zeolítica amb control d'espècies de pal·ladi en el seu interior.

[EN] Nowadays, our society faces the growing need to gradually replace traditional fossil raw materials with renewable alternatives. This shift toward a sustainable economy is driven not only by the potential depletion of fossil resources, but also by environmental concerns, such as the need to reduce greenhouse gas emissions, including nitrogen oxides (NOx) and CO2. Achieving these objectives require effective catalytic solutions, particularly the rational design of heterogeneous catalysts, such as zeolites. In this context, this thesis will use artificial intelligence techniques to aid in the development of new zeolitic materials and improve the synthesis methods for these materials, with a focus on advancing beyond the processes currently available in the literature. First, the thesis will explore how artificial intelligence can help controlling phase competition during zeolite synthesis, specifically for the CHA and AEI structures, which are both commercially applied in the selective removal of NOx from light-duty diesel vehicles. A thorough study of the organic structure-directing agents (OSDAs) outlined in the literature will be conducted, with the aim of rationalizing the preparation of these two materials. In addition, a new family of intergrown materials will be developed with enhanced properties and controlled CHA/AEI phase distributions. These new materials will contribute to improving the performance or reducing the cost of catalysts used in light-duty diesel vehicles, which are primarily used for passenger transport. Next, the synthesis of CHA-type materials with low or intermediate Si/Al ratios (Si/Al~5) will be rationalized, focusing on their current application in heavy-duty diesel vehicles, particularly for freight transport (e.g., trucks). The synthesis procedure for these materials will be optimized using cost-effective and unconventional organic molecules, and a detailed investigation will be carried out to understand the nucleation and crystallization mechanisms during their preparation. This is particularly relevant for the selective catalytic reduction (SCR) of NOx using ammonia. Finally, in response to current environmental regulations, new alternative methods for NOx removal are being developed, such as low-temperature adsorption of pollutants. In this regard, various zeolitic catalysts with controlled palladium species will be studied.