Catalizadores en base a cobalto para la producción de H2 a partir de reformado de etanol en reactores no convencionales

Abstract

En esta tesis se plantea el estudio de catalizadores basados en cobalto en la reacción de reformado de etanol con vapor, para ser empleados en reactores de membrana que permitan obtener hidrógeno con un elevado grado de pureza para su uso en celdas de combustible de baja temperatura. Se estudiaron catalizadores de cobalto soportados sobre sistemas binarios La2O3-SiO2 y CeO2-SiO2. Los sólidos soportados sobre La2O3-SiO2 presentaron una adecuada interacción metal-soporte que favoreció la obtención de partículas pequeñas de cobalto (< 20 nm), en concordancia con la buena estabilidad de estos materiales en condiciones de reacción. Sin embargo, composiciones de lantana por encima del 20 %p/p favorecieron la selectividad a acetaldehído. El catalizador de Co, empleando un soporte con 20 %p/p de lantana presentó la menor deposición de carbón, sin sinterización de las partículas de Co. Los sistemas catalíticos soportados sobre CeO2-SiO2 presentaron partículas de CeO2 bien distribuidas, con tamaños de partícula menores a 15 nm. Se observó que el catalizador con 10 %p/p de CeO2 presentó una adecuada interacción metal-soporte, y alta selectividad a H2. Adicionalmente, se estudió el efecto del agregado de O2 y CO2 en la corriente de reactivos, encontrándose una leve disminución en la selectividad a H2 pero una mayor estabilidad. Los mejores catalizadores fueron evaluados en un reactor de membrana estudiando el efecto del área de permeación y del flujo del gas de arrastre sobre la permeación de H2. Logrando una recuperación de hidrógeno mayor al 65% en una corriente libre de subproductos.

In this thesis, the study of cobalt-based catalysts in the ethanol steam reforming reaction is proposed. This material is intended to be employed in membrane reactors in order to obtain hydrogen with a high degree of purity for its further use in low-temperature fuel cells. Cobalt catalysts supported on La2O3-SiO2 and CeO2-SiO2 binary systems were studied. The solids supported on La2O3-SiO2 presented an adequate metal-support interaction that favored the formation of small cobalt particles (<20 nm), in accordance with the good stability of these materials under reaction conditions. However, lanthana compositions above 20 wt.% favored selectivity towards acetaldehyde. The Co catalyst with 20 wt.% of lantana had the lowest carbon deposition, without sintering of the cobalt particles. The catalytic systems supported on CeO2-SiO2 presented CeO2 particles well distributed, exhibiting particle smaller than 15 nm. It was observed that the catalyst with 10 wt.% of CeO2 presented an adequate metal-support interaction, and high selectivity to H2. Furthermore, the effect of the addition of O2 and CO2 in the reactants stream was studied, finding a slight decrease in H2 selectivity but higher stability. The best catalysts were evaluated in a membrane reactor, studying the effect of the permeation area and the sweep gas flow rate on H2 permeation. A hydrogen recovery over 65% was achieved in a by-products free stream.