Estudio de materiales zeolíticos como estructuras anfitrionas de nanopartículas. Aplicaciones nanotecnológicas, catalíticas y medioambientales

Abstract

In this thesis, a series of different metal-zeolite catalysts has been studied using X-ray absorption spectroscopy (XAS). The studies have focused on the in situ activation processes of the materials, complemented with other available techniques in the laboratory, such as electron microscopy (SEM and TEM) or UV-Vis spectroscopy among others. The XAS technique has allowed the identification of the nature of the active catalytic centers in the desired reactions, and mainly the local geometries around the active metals including coordination numbers and interatomic distances, besides the oxidation states of the elements of interest. This knowledge is a key factor to understand any of the catalytic phenomena. In particular, Co and Cu-TNU-9 zeolites have been studied by this technique. These catalysts show superb catalytic behavior in the selective catalytic reduction of NO with propane (NO-SCR), allowing high conversion of NO and selectivities to N2, as well as the possibility of working under a wide range of concentrations of O2. The most relevant result of these catalysts based on TNU-9 zeolite is their higher hydrothermal stability under reaction conditions compared with other catalysts, especially Co-TNU-9. X ray asorption spectroscopy has doubtlessly shown the required presence of metal centers with different valences, pointing to the redox pairs reduced/ oxidized metal as active centers. The formation of these active redox pairs in the NO SCR reaction requires an oxidizing agent such as O2 in the reaction mixture to regenerate the oxidized species of Co and Cu. Pd and Pt catalysts supported on Sn-Beta zeolite have also been studied. These catalysts are greatly active and selective for the selective hydrogenation reactions of cinnamaldehyde and reductive amination of cyclohexanone, compared to the same Pd and Pt catalysts supported on Al-Beta And Si-Beta. XAS technique has identified the formation and composition of metallic nanoparticles of Pd or Pt alloyed with Sn atoms from the zeolite during the activation of the catalysts Pt/Sn-Beta and Pd/Sn-Beta under real conditions. In addition, metal nanoparticles formation during the activation of LTA zeolites of different Si / Al ratios (1, 2 and 5) exchanged with Ag+ cations has been studied by XAS. The nature of the silver species generated during the thermal activation process varies depending on the Si/Al ratio of the structure. Thus, Si/Al: 2 and 5 ratio samples present metallic particles of nanometric size, whereas cationic clusters (Agn)m + of subnanometric size are formed in the Si/Al: 1 ratio LTA zeolite. These types of materials have demonstrated excellent biocidal properties. This thesis is completed with an annex about the influence of the support on the nature of Co metal species actives for the formation of monolayer carbon nanotubes (SWNT) on Co-Mo supported catalysts studied by X-ray absorption spectroscopy .

En esta tesis doctoral se ha estudiado mediante la técnica espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) una serie de diferentes catalizadores metal-zeolita. Los estudios se han centrado en los procesos de activación de los materiales in situ, complementándolos con otras técnicas disponibles en el laboratorio, tales como microscopia electrónica (SEM y TEM) o espectroscopía UV-Vis entre otras. La técnica XAS ha permitido identificar la naturaleza de los centros catalíticos activos en las reacciones de interés, y principalmente las geometrías locales en torno a los metales activos incluyendo números de coordinación y distancias interatómicas, además de los estados de oxidación de los elementos de interés. Este conocimiento es un factor indispensable para entender cualquiera de los fenómenos catalíticos. En concreto se han estudiado zeolitas Co y Cu-TNU-9 que muestran excelentes comportamientos catalíticos en la reducción catalítica selectiva de NO con propano (SCR-NO), permitiendo alcanzar altas conversiones de NO y selectividades a N2, así como la posibilidad de trabajar en un amplio rango de concentraciones de O2. El resultado más relevante, es que estos catalizadores basados en la zeolita TNU-9 presentan una estabilidad hidrotermal muy superior a otros catalizadores con los que se ha comparado, especialmente aquella que ha sido intercambiada con iones Co. La espectroscopía XAS ha demostrado que es absolutamente necesaria la presencia de centros metálicos con diferentes valencias, estableciéndose que los centros activos están formados por pares redox metal reducido/metal oxidado. La formación de estos pares redox activos en la reacción de SCR de NO requiere un agente oxidante como el O2 en la mezcla reactiva, cuya misión principal es regenerar las especies oxidadas de Co y Cu. También se han estudiado catalizadores de Pd y Pt soportados sobre zeolita Sn-Beta que son muy activos y selectivos en las reacciones de hidrogenación selectiva de cinamaldehido y la aminación reductiva de ciclohexanona en comparación con los mismos catalizadores de Pd y Pt soportados sobre Al-Beta y Si-Beta. La técnica XAS ha permitido comprobar la formación de nanopartículas metálicas de Pd o Pt que se alean con Sn proveniente de la zeolita durante el proceso de activación de los catalizadores Pt/Sn-Beta y Pd/Sn-Beta, así como la composición de la misma, realizándose todo este estudio en condiciones reales de activación. Además, se ha estudiado mediante XAS la formación de nanopartículas metálicas de Ag durante la activación de zeolitas LTA de diferentes relaciones en Si/Al (1, 2 y 5) e intercambiadas con cationes de Ag+. La naturaleza de las especies de plata generadas durante el proceso de activación térmica varía en función de la relación Si/Al de la estructura; así, las muestras de relación Si/Al: 2 y 5 presentan partículas metálicas de tamaño nanométrico, mientras que en la zeolita LTA de relación Si/Al: 1 se forman clústers catiónicos (Agn)m+ de tamaño subnanométrico. Este tipo de materiales han demostrado excelentes propiedades biocidas. Esta tesis se completa con un anexo correspondiente al estudio de la influencia del soporte en la naturaleza de las especies metálicas de Co activas en la formación de nanotubos de carbono monocapa (SWNT) sobre catalizadores de Co-Mo soportados mediante espectroscopía de absorción de rayos X.

En esta tesi doctoral s'ha estudiat per mitjà de la tècnica d'espectroscòpia d'absorció de rajos X (XAS) una sèrie de diferents catalitzadors metall-zeolita. Els estudis s'han centrat en els processos d'activació dels materials in situ, complementant-los amb altres tècniques disponibles en el laboratori, com ara microscòpia electrònica (SEM i TEM) o espectroscòpia UV-Vis entre altres. La tècnica XAS ha permés identificar la naturalesa dels centres catalítics actius en les reaccions d'interés, i principalment les geometries locals entorn dels metalls actius, incloent números de coordinació i distàncies interatòmiques, a més dels estats d'oxidació dels elements d'interés. Este coneixement és un factor indispensable per a entendre qualsevol dels fenòmens catalítics. En concret s'han estudiat zeolites Co i Cu-TNU-9 que mostren excel¿lents comportaments catalítics en la reducció catalítica selectiva de NO amb propà (SCR-NO), permetent aconseguir altes conversions de NO i selectivitats a N2, així com la possibilitat de treballar en un ampli rang de concentracions d'O2. El resultat més rellevant, és que estos catalitzadors basats en la zeolita TNU-9 presenten una estabilitat hidrotermal molt superior a altres catalitzadors amb què s'ha comparat, especialment aquella que ha sigut intercanviada amb ions Co. L'espectroscòpia d'absorció de rajos X ha demostrat que és absolutament necessària la presència de centres metàl¿lics amb diferents valències, establint-se que els centres actius estan formats per parelles redox metall reduït/metall oxidat. La formació d'estes parelles redox actives en la reacció de SCR de NO requereix un agent oxidant com l'O2 en la mescla reactiva, la missió principal de la qual és regenerar les espècies oxidades de Co i Cu. També s'han estudiat catalitzadors de Pd i Pt suportats sobre zeolita Sn-Beta que són molt actius i selectius en les reaccions d'hidrogenació selectiva de cinamaldehit i l'aminación reductiva de ciclohexanona en comparació amb els mateixos catalitzadors de Pd i Pt suportats sobre Al-Beta i Si-Beta. La tècnica XAS ha permés comprovar la formació de nanopartícules metàl¿liques de Pd o Pt que s'alien amb Sn provinent de la zeolita durant el procés d'activació dels catalitzadors Pt/Sn-Beta i Pd/Sn-Beta, així com la composició de la mateixa, realitzant-se tot este estudi en condicions reals d'activació. A més, s'ha estudiat per mitjà de XAS la formació de nanopartícules metàl¿liques d'Ag durant l'activació de zeolites LTA de diferents relacions en Si/Al (1, 2 i 5) i intercanviades amb cations d'Ag+. La naturalesa de les espècies de plata generades durant el procés d'activació tèrmica varia en funció de la relació Si/Al de l'estructura; així, les mostres de relació Si/Al: 2 i 5 presenten partícules metàl¿liques de mida nanomètrica, mentre que en la zeolita LTA de relació Si/Al: 1 es formen clústers catiònics (Agn)m+ de grandària subnanomètrica. Este tipus de materials han demostrat excel¿lents propietats biocides. Esta tesi es completa amb un annex corresponent a l'estudi de la influència del suport en la naturalesa de les espècies metàl¿liques de Co actives en la formació de nanotubs de carboni monocapa (SWNT) sobre catalitzadors de Co-Mo suportats per mitjà d'espectroscòpia d'absorció de rajos X.