Catálisis En Superficies

Catálisis en Superficies

Introducción:
La catálisis heterogénea inducida por superficies metálicas se conoce desde hace dos siglos. En
1796, van Marum se sirvió de superficies metálicas para catalizar la deshidrogenación de
alcoholes. Los progresos se sucedieron lentamente en el siglo XIX. En el siglo XX y XXI los
avances han sido y serán inmensamente más grandes, tanto en número deprocesos como en
teorías que los definen.
El sector industrial invierte mucho dinero anualmente en investigación de catalizadores para
sacar más rendimiento a sus reactores, disminuir la temperatura de la reacción, purificar el
producto, etc. Pero también para poder llevar a cabo reacciones a través de caminos de
reacción antes inaccesibles.
Ejemplo de ello fue el llamado Proceso Bosch-Haber,patentado por Fritz Haber en 1910,
consistente en reaccionar nitrógeno y hidrogeno para formar amoníaco. La dificultad de la
reacción radica en romper los enlaces triples mediante los que se unen los dos átomos de
nitrógeno. Este inconveniente se solventó con un catalizador de hierro. La primera planta que
trabajó con el proceso Haber se construyó en Alemania en 1913 y tenía la capacidad de fijar1,3·108 kg/año de nitrógeno atmosférico. Como sucede siempre, las aplicaciones militares no
se hicieron esperar y el amoníaco producido se empleó en la síntesis de explosivos durante la
primera guerra mundial. Más adelante y desde entonces se usa ampliamente en la producción
de fertilizantes.
Aquí otros ejemplos:
Reacción Catalizador T/ºK
H2O2
H2O + ½ O2 Mn2O3 310
CO + ½ O2
CO2 Pt 500C2H6 + H2
2CH4 Ni 500
CH4 + 2 O2
CO2 + H2O Co3O4 600
SO2 + ½ O2
SO3 V2O5 800
Uno de los factores importantes en un catalizador es su selectividad hacia una reacción en
concreto, evitando la formación de subproductos que eventualmente puedan reducir el
rendimiento de la reacción. Un ejemplo claro es la conversión del etanol a 600ºK según el
catalizador que se use:
Reactivo CatalizadorProductos Principales
Etanol
Cobre metálico Acetaldehído + hidrogeno
Alúmina Etileno + agua
MgO-SiO2 (Na2O) 1,3-Butadieno + agua
Zeolita ZSM-5 Gasolina sintética + agua
Más adelante veremos más reacciones catalizadas por Zeolitas.
Hay muchos más factores importantes en la elección de un catalizador. Éste debe ser
consistente y robusto a temperaturas normalmente altas, debe catalizar lareacción en un
tiempo lo más corto posible, a la menor temperatura posible y con una selectividad y un
rendimiento aceptables. Y todo ello sin olvidar el precio, es decir, su duración, la frecuencia en
que se debe cambiar o limpiar y el coste de su “jubilación”, me refiero a qué hacer con él
cuando se termina su vida útil, dónde aparcarlo. Vamos, como la jubilación tradicional.
En la catálisisheterogénea además, hay que tener presente que no toda la superficie de un
catalizador es activa. La “densidad” de sitios activos por unidad de superficie es un factor
clave, de hecho, es necesario conocer bien la superficie ya que se pueden encontrar sitios
activos con diferente actividad catalítica.
Se buscan catalizadores lo más pequeños y activos posibles. Eso se consigue usualmenteampliando la superficie, mediante el uso de nanopartículas o de materiales porosos. Llegamos
a la siguiente tabla, donde se compara el área activa de varios catalizadores:
Tipo de material Descripción Área específica (m2/g-1)
Metales
Lámina de Pt de 0.1mm 0.0005
Nickel-Raney 20
Pt dispersado sobre alúmina 100
Sólidos no porosos Oxido de Cobalto (Co3O4) 30
Sólidos porosos
Carbón activo 1120Zeolitas-X 900*
Zeolitas-Y 900*
Zeolitas-A 800*
Sepiolita (Mineral) 350
Fosfato de Aluminio 250
Sílica-Alúmina 250
Gel de Sílica 200
γ-Alúmina 180
Datos obtenidos en 1988 mediante isotermas BET. *A/Y/X indica las 3 familias en las que se
clasificaban las Zeolitas en 1988.
Se puede observar que los materiales porosos aumentan en uno o dos órdenes de magnitud el
área específica, lo que...