ES2238172B1 - SELECTIVE OXIDATION METHOD OF CARBON MONOXIDE. - Google Patents
SELECTIVE OXIDATION METHOD OF CARBON MONOXIDE.Info
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Abstract
Método de oxidación selectiva de monóxido de carbono. La presente invención se refiere a un método para oxidar selectivamente monóxido de carbono en una mezcla de gases caracterizado porque comprende hacer reaccionar la mezcla de gases con un oxidante en presencia de un catalizador que comprende oro y óxido de cerio nanocristalino formado por partículas con un diámetro medio menor de 10 nm; al procedimiento de preparación del catalizador y al catalizador que comprende oro soportado sobre óxido de cerio nanocristalino.Method of selective oxidation of carbon monoxide. The present invention relates to a method for selectively oxidizing carbon monoxide in a gas mixture characterized in that it comprises reacting the gas mixture with an oxidant in the presence of a catalyst comprising gold and nanocrystalline cerium oxide formed by particles with a diameter medium less than 10 nm; to the catalyst preparation process and to the catalyst comprising gold supported on nanocrystalline cerium oxide.
Description
Método de oxidación selectiva de monóxido de carbono.Method of selective oxidation of monoxide carbon.
La presente memoria se engloba en el campo técnico de los procesos eliminación de contaminantes. De manera particular se refiere a un proceso de oxidación de monóxido de carbono en presencia o ausencia de hidrógeno en el medio de reacción.This report is included in the field Pollution removal process technician. By way of particular refers to a monoxide oxidation process of carbon in the presence or absence of hydrogen in the middle of reaction.
Un procedimiento para convertir la energía
química en energía eléctrica conlleva el uso de celdas o pilas de
combustible. En éstas se puede utilizar H_{2} como combustible.
Un contaminante de muchas fuentes de hidrógeno es el monóxido de
carbono que tiende a envenenar los electrodos de la pila. Dado que
el CO_{2} no envenena los electrodos, resulta de interés oxidar
el CO a CO_{2}, en la corriente de H_{2}, aunque esto se
debería hacer de manera selectiva sin oxidar el H_{2}. Así Haruta
y colaboradores (Journal of Catalysis, vol. 115, 301 (1989))
mostraron que catalizadores formados por oro y un soporte son
capaces de oxidar selectivamente el CO a CO_{2}. Para ello,
depositaron el oro sobre varios soportes observando grandes
diferencias en la actividad y selectividad del catalizador,
dependiendo del soporte utilizado. Diversos autores encontraron (M.
Haruta, Cat Tech, vol. 6, 102 (2002); M. Haruta y col., Journal of
Catalysis 144, 175 (1993); F. Boccuzzi y col., Catalysis Letters
29, 225 (1994); J. Guzmán y B.C. Gates, Angew. Chem. Int. Ed. 42,
690 (2003)) que los soportes más adecuados en los catalizadores de
oro/soporte para la oxidación selectiva de CO a CO_{2} son:
TiO_{2} (anatasa), óxido de hierro, óxido de cobalto, óxido de
zinc y óxido de magnesio. Además de los soportes nombrados más
arriba, se han estudiado otros (véase Bond y Thompson, Catalysis
Review Sci. Eng., vol. 41, 319 (1994)), y entre ellos el óxido de
cerio. Así, se han descrito diferentes procedimientos para soportar
oro sobre un óxido metálico, tales como: impregnación,
coprecipitación, deposición-precipitación,
intercambio iónico y deposición química de vapor (Lee y
Gavriilidis, Journal of Catalysis vol. 206, 305 (2002); Sánchez y
col., Journal of Catalysis, vol. 168, 125 (1997); Chen y Yeh,
Journal of Catalysis, vol. 200, 59 (2001); Wan y Kang, US Pat.
5550093 (1996). Se ha encontrado que cuando el oro se soporta sobre
óxido de cerio, la actividad del catalizador para la oxidación del
CO a CO_{2} es baja, requiriéndose temperaturas de reacción por
encima de 100ºC para conseguir conversiones apreciables (Bera y
Hegde, Catalysis Letters, vol. 79, 75 (2002)). Estos resultados
permiten concluir, que el óxido de cerio no es un soporte adecuado
para el oro, al menos en lo que se refiere a la oxidación selectiva
de CO a CO_{2}. En efecto, en la literatura de patentes se
encuentra un catalizador para la oxidación selectiva de CO en
presencia de H_{2} que no utiliza como soporte óxido de cerio
sino una mezcla de óxido de cerio y óxido de titanio (B. Grigorova
y col., WO 0059631) introduciendo en la composición estaño
como
promotor.A procedure to convert chemical energy into electrical energy involves the use of cells or fuel cells. In these, H2 may be used as fuel. A contaminant from many sources of hydrogen is carbon monoxide that tends to poison the electrodes of the battery. Since CO2 does not poison the electrodes, it is of interest to oxidize the CO to CO2 in the stream of H2, although this should be done selectively without oxidizing the H2. Thus Haruta et al. (Journal of Catalysis, vol. 115, 301 (1989)) showed that catalysts formed by gold and a support are capable of selectively oxidizing CO to CO2. To do this, they deposited the gold on several supports observing great differences in the activity and selectivity of the catalyst, depending on the support used. Several authors found (M. Haruta, Cat Tech, vol. 6, 102 (2002); M. Haruta et al., Journal of Catalysis 144, 175 (1993); F. Boccuzzi et al., Catalysis Letters 29, 225 ( 1994); J. Guzmán and BC Gates, Angew. Chem. Int. Ed. 42, 690 (2003)) that the most suitable supports in the gold / support catalysts for the selective oxidation of CO to CO2 are: TiO2 (anatase), iron oxide, cobalt oxide, zinc oxide and magnesium oxide. In addition to the supports named above, others have been studied (see Bond and Thompson, Catalysis Review Sci. Eng., Vol. 41, 319 (1994)), and among them cerium oxide. Thus, different methods for supporting gold on a metal oxide have been described, such as: impregnation, coprecipitation, deposition-precipitation, ion exchange and chemical vapor deposition (Lee and Gavriilidis, Journal of Catalysis vol. 206, 305 (2002); Sánchez et al., Journal of Catalysis, vol. 168, 125 (1997); Chen and Yeh, Journal of Catalysis, vol. 200, 59 (2001); Wan and Kang, US Pat. 5550093 (1996). that when gold is supported on cerium oxide, the activity of the catalyst for the oxidation of CO to CO2 is low, with reaction temperatures above 100 ° C being required to achieve appreciable conversions (Bera and Hegde, Catalysis Letters, vol. 79, 75 (2002)) These results allow us to conclude that cerium oxide is not a suitable support for gold, at least as regards the selective oxidation of CO to CO2. patent catalyst finds a catalyst for selective oxidation d e CO in the presence of H2 which does not use cerium oxide as support but a mixture of cerium oxide and titanium oxide (B. Grigorova et al., WO 0059631) introducing in the composition tin as
promoter.
Aún cuando las publicaciones existentes mostraron que los catalizadores de oro sobre óxido de cerio son poco activos en la oxidación de CO a CO_{2}, y su selectividad en presencia de H_{2} es tan sólo moderada, se ha encontrado que, sorprendentemente, cuando se prepara el óxido de cerio en forma de nanopartículas con un tamaño medio inferior a 10 nm, y también si estas nanopartículas se ordenan formando una estructura mesoporosa, se consiguen catalizadores de oro soportados muy activos y selectivos. En efecto, como se demostrará a lo largo de esta memoria, los catalizadores formados por oro soportado sobre el óxido de cerio formado por nanopartículas no ordenadas, así como por nanopartículas mesoestructuradas muestran una actividad muy elevada para la oxidación de CO a CO_{2} a temperaturas de 10ºC e incluso inferiores, siendo selectivos en la oxidación de CO en presencia de H_{2}.Even when existing posts showed that gold catalysts on cerium oxide are not very active in the oxidation of CO to CO2, and its selectivity in the presence of H_ {2} is only moderate, it has been found that, surprisingly, when cerium oxide is prepared in the form of nanoparticles with an average size of less than 10 nm, and also if these nanoparticles are arranged forming a structure mesoporous, very supported supported gold catalysts are achieved active and selective. Indeed, as will be demonstrated throughout this memory, the catalysts formed by gold supported on the cerium oxide formed by unordered nanoparticles, as well as by mesostructured nanoparticles show very high activity for the oxidation of CO to CO2 at temperatures of 10 ° C and even lower, being selective in the oxidation of CO in the presence of H2.
La presente invención se refiere a un método para oxidar selectivamente monóxido de carbono en una mezcla de gases caracterizado porque comprende hacer reaccionar la mezcla de gases con un oxidante en presencia de un catalizador que comprende oro y óxido de cerio nanocristalino formado por partículas con un diámetro medio menor de 10 nm.The present invention relates to a method for selectively oxidize carbon monoxide in a gas mixture characterized in that it comprises reacting the gas mixture with an oxidant in the presence of a catalyst comprising gold and nanocrystalline cerium oxide formed by particles with a mean diameter less than 10 nm.
Preferentemente el tamaño de las partículas de óxido de cerio es de 8 nm o inferior.Preferably the particle size of cerium oxide is 8 nm or less.
El monóxido de carbono puede formar parte de una mezcla de gases cualesquiera y en particular puede ser una mezcla reactiva que comprende hidrógeno.Carbon monoxide can be part of a any mixture of gases and in particular it can be a mixture reagent comprising hydrogen.
Según el método de la presente invención el catalizador tiene un contenido en oro comprendido entre 0.5 y 6% en peso.According to the method of the present invention the catalyst has a gold content between 0.5 and 6% in weight.
La reacción de oxidación tiene lugar a una temperatura comprendida entre 10 y 130ºC.The oxidation reaction takes place at a temperature between 10 and 130 ° C.
Según una segunda realización del método de la presente invención el óxido de cerio, CeO_{2}, puede estar formado por nanopartículas mesoestructuradas. En este caso se obtienen catalizadores con una superficie BET superior a los 120 m^{2} g^{-1}. Las nanopartículas de óxido de cerio tienen un diámetro promedio menor o igual de 10 nm, y más preferentemente igual o menor de 8 nm.According to a second embodiment of the method of present invention cerium oxide, CeO2, may be formed by mesostructured nanoparticles. In this case it obtain catalysts with a BET surface greater than 120 m 2 g -1. Cerium oxide nanoparticles have a average diameter less than or equal to 10 nm, and more preferably equal to or less than 8 nm.
Según esta segunda realización del método de la presente invención el catalizador tiene un contenido en oro comprendido entre 0.5 y 6% en peso.According to this second embodiment of the method of present invention the catalyst has a gold content between 0.5 and 6% by weight.
En una realización particular del método de la presente invención para oxidar selectivamente el CO a CO_{2} en una mezcla reactiva, por ejemplo una mezcla que contiene H_{2}, se pone en contacto esta mezcla de gases con el catalizador a una temperatura comprendida entre 5ºC y 200ºC, preferentemente entre 10ºC y 130ºC.In a particular embodiment of the method of present invention to selectively oxidize the CO to CO2 in a reactive mixture, for example a mixture containing H2, this mixture of gases is contacted with the catalyst at a temperature between 5 ° C and 200 ° C, preferably between 10ºC and 130ºC.
La presente invención tiene como objeto adicional un procedimiento para preparar un catalizador que comprende oro y un soporte de óxido de cerio nanocristalino, dicho soporte de óxido de cerio formado por partículas con un diámetro medio menor de 10 nm, caracterizado porque dicho procedimiento comprende depositar el oro sobre nanopartículas de óxido de cerio con un tamaño de diámetro menor de 10 nm.The present invention has as an additional object a process for preparing a catalyst comprising gold and a nanocrystalline cerium oxide support, said oxide support of cerium formed by particles with an average diameter of less than 10 nm, characterized in that said method comprises depositing the gold on cerium oxide nanoparticles with a size of diameter less than 10 nm.
Según el presente procedimiento el oro se puede depositar sobre el soporte de óxido de cerio mediante un método cualquiera conocido en la técnica. Preferentemente se usa un método seleccionado entre impregnación, deposición-precipitación y deposición química de vapor.According to the present procedure gold can be deposit on cerium oxide support by a method Anyone known in the art. A method is preferably used selected from impregnation, deposition-precipitation and chemical deposition of steam.
De manera más preferida aún el procedimiento de la presente invención comprende:Even more preferably the procedure of The present invention comprises:
- preparar una solución de oro con un pH superior a 2,- prepare a gold solution with a higher pH to 2,
- modificar el pH de la solución de oro, hasta obtener una solución de oro con un pH básico, preferentemente un pH igual a 10,- modify the pH of the gold solution, up to obtain a gold solution with a basic pH, preferably a pH equal to 10,
- añadir la solución de oro con un pH básico sobre un soporte de óxido de cerio nanocristalino, formado por partículas con un diámetro medio menor de 10 nm,- add the gold solution with a basic pH on a support of nanocrystalline cerium oxide, formed by particles with an average diameter of less than 10 nm,
- modificar el pH de la solución de oro hasta obtener un pH comprendido entre 8 y 10, provocando la precipitación del oro sobre el soporte y- modify the pH of the gold solution to obtain a pH between 8 and 10, causing precipitation of gold on the stand and
- lavar el soporte sobre el que ha precipitado el oro.- wash the support on which the gold.
El soporte de óxido de cerio nanocristalino está en forma de suspensión coloidal.The nanocrystalline cerium oxide support is in the form of colloidal suspension.
La solución de oro es preferentemente una solución acuosa de una sal de oro, por ejemplo de HauCl_{4}. Preferentemente se utiliza para preparar esta solución agua desionizada.The gold solution is preferably a aqueous solution of a gold salt, for example of HauCl 4. Water is preferably used to prepare this solution. deionized
En la etapa de modificación del pH de la solución de oro se utiliza preferentemente una disolución acuosa básica, por ejemplo una disolución acuosa de NaOH. La solución de oro acuosa básica y la suspensión coloidal de óxido de cerio se mezclan bajo agitación.In the step of modifying the pH of the solution gold is preferably used a basic aqueous solution, for example an aqueous solution of NaOH. The gold solution basic water and cerium oxide colloidal suspension are mixed under agitation
Opcionalmente, la mezcla oro sobre CeO_{2} se puede secar, y opcionalmente se puede tratar en presencia de aire a una temperatura inferior a 200ºC.Optionally, the gold mixture on CeO2 is it can dry, and optionally it can be treated in the presence of air at a temperature below 200 ° C.
Según una realización particularmente preferida el catalizador se prepara poniendo en contacto óxido de cerio (CeO_{2}) formado por nanocristales con un tamaño promedio menor de 8 nm, con una solución de oro que tiene un pH por encima de 2.0, modificando el pH de la solución de oro hasta un pH en el rango de 8 a 10, provocando así la precipitación del oro sobre el soporte. A continuación se lava, pudiéndose secar a una temperatura entre 20 y 100ºC. Si se desea el material seco se puede calcinar en presencia o ausencia de aire a una temperatura entre 100 y 500ºC, y preferiblemente, entre 100 y 300ºC.According to a particularly preferred embodiment the catalyst is prepared by contacting cerium oxide (CeO 2) formed by nanocrystals with a smaller average size 8 nm, with a gold solution that has a pH above 2.0, modifying the pH of the gold solution to a pH in the range of 8 to 10, thus causing the precipitation of gold on the support. TO then washed, being able to dry at a temperature between 20 and 100 ° C If desired the dry material can be calcined in the presence or absence of air at a temperature between 100 and 500 ° C, and preferably, between 100 and 300 ° C.
Según una realización adicional del procedimiento para preparar el catalizador, el soporte de óxido de cerio nanocristalino está mesoestructurado. Las partículas de óxido de cerio mesoestructurado tienen preferentemente un tamaño de diámetro igual o menor de 10 nm, preferentemente igual o menor de 8 nm.According to a further embodiment of the procedure to prepare the catalyst, the cerium oxide support Nanocrystalline is mesostructured. Oxide particles mesostructured cerium preferably have a diameter size equal to or less than 10 nm, preferably equal to or less than 8 nm.
Las partículas de óxido de cerio se pueden mesoestructurar, siguiendo técnicas descritas en la técnica.Cerium oxide particles can be mesostructure, following techniques described in the art.
El soporte de óxido de cerio mesoestructurado se prepara preferentemente mezclando una solución coloidal de óxido de cerio con partículas de diámetro promedio igual o inferior a 8 nm, y una solución acuosa que contiene un agente estructurante, el cual sirve de "compuesto plantilla" con el fin de ordenar las nanopartículas y mesoestructurarlas. Como agente estructurante se utilizan preferentemente surfactantes. Como ejemplo de surfactante se utilizan surfactantes neutros como polímeros bloque de poli(óxidos de alquenos), como por ejemplo E_{20}PO_{70}EO_{20} plurónico P_{123} de BASF.The mesostructured cerium oxide support is preferably prepared by mixing a colloidal oxide solution of cerium with particles of average diameter equal to or less than 8 nm, and an aqueous solution containing a structuring agent, which serves as a "composite template" in order to sort the nanoparticles and mesostructure them. As a structuring agent, preferably use surfactants. As an example of surfactant neutral surfactants are used as block polymers of poly (alkene oxides), such as E20 PO_ {70} EO20 pluronic P 123 from BASF.
En una realización particular el soporte de óxido de cerio mesoestructurado se obtieneIn a particular embodiment the oxide support of mesostructured cerium is obtained
- preparando una solución acuosa de un polímero de óxidos de alquenos, tal como el polímero E_{20}PO_{70}EO_{20} plurónico P_{123}, que se disuelve en una solución acuosa coloidal ácida de CeO_{2},- preparing an aqueous solution of a polymer of alkene oxides, such as polymer E_ {PO} {70} EO_ {pl} {P} {123}, which dissolves an aqueous colloidal acid solution of CeO2,
- evaporando la solución homogénea y- evaporating the homogeneous solution and
- calcinando el producto obtenido en aire a temperaturas superiores a 300ºC.- calcining the product obtained in air at temperatures above 300 ° C.
Se obtiene así un material mesoestructurado cuyas paredes están formadas por una monocapa de nanopartículas de CeO_{2}.A mesostructured material is thus obtained whose walls are formed by a monolayer of nanoparticles of CeO 2.
El surfactante ocluido en el material mesoestructurado se puede eliminar por un medio seleccionado entre extracción y calcinación.The surfactant occluded in the material Mesostructured can be removed by a medium selected from extraction and calcination.
Además, el soporte de óxido de cerio mesoestructurado se prepara de modo más preferente aún introduciendo en el medio de síntesis un agente funcionalizante. El procedimiento de preparación en este caso consiste en el ensamblaje de nanopartículas individuales de CeO_{2} funcionalizadas.In addition, the cerium oxide support mesostructured is prepared even more preferably introducing a functionalizing agent into the synthesis medium. He preparation procedure in this case consists of the assembly of functionalized individual CeO2 nanoparticles.
Como agentes funcionalizantes se utilizan moléculas que poseen en un extremo un grupo terminal que interacciona con la nanopartícula, y en el otro extremo un grupo terminal que interacciona con el agente estructurante. El agente funcionalizante es preferentemente un aminoácido. Un agente funcionalizante preferido es por ejemplo el ácido 6-aminocaproico (H_{2}N (CH_{2})_{5}CO_{2}H).As functionalizing agents are used molecules that have at one end a terminal group that interacts with the nanoparticle, and at the other end a group terminal that interacts with the structuring agent. The agent Functionalizer is preferably an amino acid. An agent preferred functionalizer is for example acid 6-aminocaproic acid (H2N (CH 2) 5 CO 2 H).
En una realización particularmente preferida de preparación de catalizador mesoestructurado, éste se prepara partiendo de una solución coloidal acuosa ácida de nanopartículas de óxido de cerio con un diámetro medio inferior a 8 nm. La solución coloidal acuosa ácida de óxido de cerio tiene una concentración en Ce entre 1.0 y 8.0 molar. La relación molar [H^{+}]/[CeO_{2}] está comprendida entre 0.01 y 0.10. A esta disolución se añade, un agente funcionalizante, como por ejemplo el ácido 6-aminocaproico, en una concentración aminoácido/[CeO_{2}] comprendida entre 0.1 y 0.6. La disolución coloidal de nanopartículas de CeO_{2} se añade a una disolución acuosa de un agente estructurante que es el poli(alquileno oxido) E_{20}PO_{70}EO_{20} plurónico P_{123} de BASF. Tomando éste como referencia, la disolución que contiene el surfactante tiene una concentración de surfactante en H_{2}O comprendida entre 1 y 10% en peso, conteniendo esta solución también entre 6 y 20% en peso de una disolución acuosa de HCl de concentración 2 M. La relación en peso entre las soluciones de CeO_{2} coloidal y la solución que contiene el surfactante está comprendida entre 0.015 y 0.060. La solución resultante de mezclar estas dos se puede envejecer a temperaturas entre 20 y 90ºC durante periodos comprendidos entre 2 y 40 horas. El sólido formado se filtra, se lava, y se seca, calcinándose a temperaturas superiores a 300ºC durante al menos 0.5 horas. El surfactante puede extraerse opcionalmente por extracción siguiendo procedimientos conocidos en el arte.In a particularly preferred embodiment of Mesostructured catalyst preparation, this is prepared starting from an acidic aqueous colloidal solution of nanoparticles of cerium oxide with an average diameter of less than 8 nm. The acidic aqueous colloidal solution of cerium oxide has a Ce concentration between 1.0 and 8.0 molar. Molar relationship [H +] / [CeO 2] is between 0.01 and 0.10. This solution is added, a functionalizing agent, such as the 6-aminocaproic acid, in a concentration amino acid / [CeO2] between 0.1 and 0.6. Dissolution CeO2 nanoparticle colloidal is added to a solution aqueous of a structuring agent that is poly (alkylene) oxide) E 20 PO 70 EO 20 pluronic P 123 from BASF. Taking this as a reference, the solution that contains the surfactant has a concentration of surfactant in H2O between 1 and 10% by weight, containing this solution also between 6 and 20% by weight of an aqueous HCl solution of 2M concentration. The weight ratio between the solutions of CeO2 colloidal and the solution containing the surfactant is between 0.015 and 0.060. The solution resulting from mixing these two can be aged at temperatures between 20 and 90 ° C for periods between 2 and 40 hours. The solid formed is filter, wash, and dry, calcining at higher temperatures at 300 ° C for at least 0.5 hours. The surfactant can be removed optionally by extraction following procedures known in the art.
Sobre el soporte calcinado, se deposita el oro, siguiendo el procedimiento descrito anteriormente, que comprende depositar el oro sobre nanopartículas de óxido de cerio mesoestructurado con un tamaño de diámetro menor de 10 nm.On the calcined support, the gold is deposited, following the procedure described above, which comprises deposit gold on cerium oxide nanoparticles mesostructured with a diameter size of less than 10 nm.
El oro se puede depositar sobre el soporte de óxido de cerio mesoestructurado mediante un método cualquiera conocido en la técnica. Preferentemente se usa un método seleccionado entre impregnación, deposición-precipitación y deposición química de vapor.Gold can be deposited on the support of mesostructured cerium oxide by any method known in the art. A method is preferably used selected from impregnation, deposition-precipitation and chemical deposition of steam.
De manera más preferida aún el procedimiento comprende:Even more preferably the procedure understands:
- preparar una solución de oro que tiene un pH mayor de 2,- prepare a gold solution that has a pH greater than 2,
- modificar el pH de la solución de oro, hasta obtener una solución de oro con un pH básico, preferentemente un pH igual a 10,- modify the pH of the gold solution, up to obtain a gold solution with a basic pH, preferably a pH equal to 10,
- añadir la solución de oro básica sobre un soporte de óxido de cerio nanocristalino mesoestructurado, formado por partículas con un diámetro medio menor de 10 nm,- add the basic gold solution on a mesostructured nanocrystalline cerium oxide support, formed by particles with an average diameter of less than 10 nm,
- modificar el pH de la solución de oro hasta obtener un pH comprendido entre 8 y 10, provocando la precipitación del oro sobre el soporte y- modify the pH of the gold solution to obtain a pH between 8 and 10, causing precipitation of gold on the stand and
- lavar el soporte sobre el que se ha depositado el oro.- wash the support on which it has been deposited gold.
El catalizador final, se trata de la misma manera a como se describió anteriormente para el caso de utilizar como soporte nanopartículas de óxido de cerio no estructurado.The final catalyst is treated in the same way as described above for the case of using as Unstructured cerium oxide nanoparticles support.
Es un objeto adicional de la presente invención un catalizador para la oxidación selectiva de monóxido de carbono, caracterizado porque comprende oro soportado sobre óxido de cerio nanocristalinao, que tiene un tamaño promedio de partícula inferior a 10 nm.It is a further object of the present invention a catalyst for the selective oxidation of carbon monoxide, characterized in that it comprises gold supported on cerium oxide nanocrystalline, which has a lower average particle size at 10 nm.
El catalizador definido tiene una superficie específica superior a 90 m^{2} g^{-1}.The defined catalyst has a surface specific greater than 90 m 2 g -1.
El contenido de oro sobre el soporte de óxido de cerio formado por nanocristales, está comprendido ente 0.5 y 6% en peso.The gold content on the oxide support of cerium formed by nanocrystals, is comprised between 0.5 and 6% in weight.
El hecho de utilizar como soporte del oro nanocristales de CeO_{2} con un tamaño promedio inferior a 10 nm y con una superficie específica superior a 90 m^{2} g^{-1} permite obtener catalizadores de oro soportado más activos para la oxidación selectiva de CO a CO_{2} que los obtenidos hasta el momento utilizando CeO_{2} como soporte, y se alcanzan actividades todavía mayores si el tamaño de nanocristales de óxido de cerio es igual o inferior a 8 nm. Además El catalizador formado por oro sobre nanocristales de óxido de cerio es también activo y selectivo si estos nanocristales se mesoestructuran formando un material mesoporoso ordenado. En este caso se obtienen catalizadores con una superficie BET superior a los 120 m^{2} g^{-1}.The use of gold as a support CeO2 nanocrystals with an average size of less than 10 nm and with a specific surface area greater than 90 m 2 g -1 allows to obtain more active supported gold catalysts for the selective oxidation of CO to CO2 than those obtained until moment using CeO_ {2} as support, and they are reached even larger activities if the size of rust nanocrystals of cerium is equal to or less than 8 nm. In addition The catalyst formed for gold on cerium oxide nanocrystals it is also active and selective if these nanocrystals are mesostructured forming a ordered mesoporous material. In this case they are obtained catalysts with a BET surface area greater than 120 m2 g <-1>.
En los ejemplos que se presentan a continuación, se describe el método de preparación de los catalizadores objeto de esta patente y su actividad y selectividad en la oxidación selectiva de CO a CO_{2}.In the examples presented below, the method of preparation of the subject catalysts is described of this patent and its activity and oxidation selectivity selective from CO to CO2.
Se prepara una disolución acuosa con 14 g de HauCl_{4} en 2 litros de agua desionizada. Se añaden, posteriormente, 750 g de una disolución acuosa de NaOH (0,2 M). La disolución resultante se añade a una suspensión de 126 g de nanopartículas de óxido de cerio con un tamaño promedio de 3.3 nm en 2,5 g de agua desionizada, bajo agitación. A continuación, se añaden 139 g de una disolución acuosa de NaOH (0,2 M) y se deja, en agitación, durante 16 h. La suspensión obtenida se filtra y el sólido resultante se lava con agua desionizada hasta la eliminación de cloruros. Finalmente, el sólido se seca a 100ºC durante 16 h. El porcentaje final en peso de oro en el catalizador fue de 2,8%.An aqueous solution is prepared with 14 g of HauCl 4 in 2 liters of deionized water. They are added, subsequently, 750 g of an aqueous solution of NaOH (0.2 M). The resulting solution is added to a suspension of 126 g of cerium oxide nanoparticles with an average size of 3.3 nm in 2.5 g of deionized water, under stirring. Then it add 139 g of an aqueous solution of NaOH (0.2 M) and leave, under stirring, for 16 h. The suspension obtained is filtered and the resulting solid is washed with deionized water until elimination of chlorides. Finally, the solid is dried at 100 ° C for 16 h. He Final percentage by weight of gold in the catalyst was 2.8%.
El material mesoestructurado de nanopartículas de CeO_{2} se preparó a partir de una disolución coloidal de nanopartículas de CeO_{2} con un diámetro medio de 5 nm que se utilizaron como bloques de construcción. Para la preparación del sólido mesoporoso ordenado se partió de una dispersión coloidal 4.0 Molar en Ce formado por nanopartículas, siendo el pH de la solución ácido, y la relación [H^{+}]/[CeO_{2}] (referida a la concentración de nanopartículas) de 0.024. Entonces, 10 g de poli(alquileno oxido) (E_{20}PO_{70}EO_{20} plurónico P_{123} de BASF) se disolvieron en 35 cc de H_{2}O y 38.0 cc de HCl 2 M. 4.88 cc de la disolución coloidal de CeO_{2}, antes descrita, se añadió a la solución anterior. La disolución resultante se envejece a 45ºC durante 16 horas, y después durante 12 horas a 80ºC. El sólido formado se filtró, lavó y calcinó a 500ºC durante 6 horas. La temperatura de calcinación (500ºC) se alcanzó calentando lentamente, durante un periodo de 6 horas.The mesostructured nanoparticle material of CeO2 was prepared from a colloidal solution of CeO2 nanoparticles with an average diameter of 5 nm that are They used as building blocks. For the preparation of ordered mesoporous solid was split from a colloidal dispersion 4.0 Ce molar formed by nanoparticles, the pH of the solution being acid, and the ratio [H +] / [CeO 2] (referred to the nanoparticle concentration) of 0.024. Then, 10 g of poly (alkylene oxide) (E 20 PO 70 EO 20 pluronic P 123 of BASF) were dissolved in 35 cc of H2O and 38.0 cc of 2M HCl 4.88 cc of the colloidal solution of CeO2, before described, was added to the previous solution. Dissolution resulting is aged at 45 ° C for 16 hours, and then for 12 hours at 80 ° C. The solid formed was filtered, washed and calcined at 500 ° C for 6 hours The calcination temperature (500 ° C) was reached heating slowly, over a period of 6 hours.
Se prepara una disolución acuosa con 14 g de HauCl_{4} en 2 litros de agua desionizada. Se añaden, posteriormente, 750 g de una disolución acuosa de NaOH (0,2 M). La disolución resultante se añade a una suspensión de 126 g de nanopartículas de óxido de cerio mesoestructuradas, según el ejemplo 2, en 2,5 g de agua desionizada, bajo agitación. A continuación, se añaden 139 g de una disolución acuosa de NaOH (0,2 M) y se deja, en agitación a un pH de 10, durante 16 h. La suspensión obtenida se filtra y el sólido resultante se lava con agua desionizada hasta la eliminación de cloruros. Finalmente, el sólido se seca a 100ºC durante 16 h. El porcentaje final en peso de oro en el catalizador fue de 2,1%.An aqueous solution is prepared with 14 g of HauCl 4 in 2 liters of deionized water. They are added, subsequently, 750 g of an aqueous solution of NaOH (0.2 M). The resulting solution is added to a suspension of 126 g of mesostructured cerium oxide nanoparticles, according to the Example 2, in 2.5 g of deionized water, under stirring. TO then 139 g of an aqueous solution of NaOH (0.2 M) and leave, under stirring at a pH of 10, for 16 h. The suspension obtained is filtered and the resulting solid is washed with deionized water until the removal of chlorides. Finally the solid is dried at 100 ° C for 16 h. The final weight percentage of Gold in the catalyst was 2.1%.
0,5 g del catalizador descrito en el ejemplo 1 se introdujeron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. La reacción se llevó a cabo empleando una mezcla de gases A y B, con una relación molar A/B= 2/8. La mezcla A es una mezcla de gases, con un relación molar monóxido de carbono:aire= 1/99. La mezcla B es helio puro. A una temperatura de reacción de 10ºC y un caudal total de gases de 0.5 l/min, el análisis de reactivos y productos muestra una conversión de monóxido de carbono del 100%.0.5 g of the catalyst described in example 1 is introduced into a fixed bed quartz reactor. The reaction is carried out using a mixture of gases A and B, with a ratio molar A / B = 2/8. Mix A is a gas mixture, with a ratio carbon monoxide molar: air = 1/99. Mix B is pure helium. TO a reaction temperature of 10 ° C and a total gas flow of 0.5 l / min, the analysis of reagents and products shows a 100% carbon monoxide conversion.
0,5 g del catalizador descrito en el ejemplo 1 se introdujeron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. La reacción se llevó a cabo empleando una mezcla de gases A y B, con una relación molar A/B= 2/8. La mezcla A, es una mezcla de gases con un relación molar monóxido de carbono:aire= 1/99. La mezcla B, es helio puro. A una temperatura de reacción de 10ºC y un caudal total de gases de 0.5 l/min, el análisis de reactivos y productos muestra una conversión de monóxido de carbono del 100%.0.5 g of the catalyst described in example 1 is introduced into a fixed bed quartz reactor. The reaction is carried out using a mixture of gases A and B, with a ratio molar A / B = 2/8. The mixture A, is a mixture of gases with a ratio carbon monoxide molar: air = 1/99. Mix B is pure helium. TO a reaction temperature of 10 ° C and a total gas flow of 0.5 l / min, the analysis of reagents and products shows a 100% carbon monoxide conversion.
0,5 g del catalizador descrito en el ejemplo 1 se introdujeron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. La reacción se llevó a cabo empleando una mezcla de gases A y B, con una relación molar A/B= 5/7. La mezcla A, es una mezcla de gases con un relación molar monóxido de carbono:oxígeno:helio= 2/1/97. La mezcla B es hidrógeno puro. A una temperatura de reacción de 60ºC y un caudal total de gases de 1,2 l/min, el análisis de reactivos y productos muestra una conversión de monóxido de carbono del 61%, con una conversión de hidrógeno del 0,30%.0.5 g of the catalyst described in example 1 is introduced into a fixed bed quartz reactor. The reaction is carried out using a mixture of gases A and B, with a ratio molar A / B = 5/7. The mixture A, is a mixture of gases with a ratio carbon monoxide molar: oxygen: helium = 2/1/97. Mix B is pure hydrogen At a reaction temperature of 60 ° C and a flow rate total gas of 1.2 l / min, the analysis of reagents and products shows a conversion of carbon monoxide of 61%, with a 0.30% hydrogen conversion.
0,5 g del catalizador descrito en el ejemplo 1 se introdujeron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. La reacción se llevó a cabo empleando una mezcla de gases A y B, con una relación molar A/B= 5/7. La mezcla A, es una mezcla de gases con un relación molar monóxido de carbono:oxígeno:helio= 2/1/97. La mezcla B, es hidrógeno puro. A una temperatura de reacción de 60ºC y un caudal total de gases de 1,2 l/min, el análisis de reactivos y productos muestra una conversión de monóxido de carbono del 56% con una conversión de hidrógeno del 0,30%.0.5 g of the catalyst described in example 1 is introduced into a fixed bed quartz reactor. The reaction is carried out using a mixture of gases A and B, with a ratio molar A / B = 5/7. The mixture A, is a mixture of gases with a ratio carbon monoxide molar: oxygen: helium = 2/1/97. The B mix is pure hydrogen At a reaction temperature of 60 ° C and a flow rate total gas of 1.2 l / min, the analysis of reagents and products shows a 56% carbon monoxide conversion with a 0.30% hydrogen conversion.
Se adiciona una disolución amoniacal (25% en peso de amoniaco en agua) a una disolución de nitrato de cerio (25,0 g de nitrato de cerio en 200 g de agua) hasta alcanzar un pH de 9,0 y se deja en agitación durante 1 hora. A continuación, se filtra el sólido y se sea a 100ºC durante 16 horas. Finalmente se calcina en aire a 500ºC durante 4 horas, con una rampa de calentamiento de 5ºC/min, obteniéndose un óxido de cerio con un área superficial de 69 m^{2} g^{-1}.An ammoniacal solution (25% by weight) is added of ammonia in water) to a solution of cerium nitrate (25.0 g of cerium nitrate in 200 g of water) until reaching a pH of 9.0 and It is left under stirring for 1 hour. Then, the solid and be at 100 ° C for 16 hours. Finally he burns in air at 500 ° C for 4 hours, with a heating ramp of 5 ° C / min, obtaining a cerium oxide with a surface area of 69 m 2 g -1.
Se prepara una disolución acuosa con 1.0 g de HauCl_{4} en 200 ml de agua desionizada. Se añaden, posteriormente, una disolución acuosa de NaOH (0,2 M) hasta alcanzar un pH de 10. La disolución resultante se añade a una suspensión de 9.0 g de óxido de cerio, descrito anteriormente, en 0,3 g de agua desionizada, bajo agitación. A continuación, se añaden 139 g de una disolución acuosa de NaOH (0,2 M) y se deja, en agitación, durante 16 h. La suspensión obtenida se filtra y el sólido resultante se lava con agua desionizada hasta la eliminación de cloruros. Finalmente, el sólido se seca a 100ºC durante 16 h. El porcentaje final en peso de oro en el catalizador fue de 2,09%.An aqueous solution is prepared with 1.0 g of HauCl 4 in 200 ml of deionized water. They are added, subsequently, an aqueous solution of NaOH (0.2 M) until reach a pH of 10. The resulting solution is added to a 9.0 g suspension of cerium oxide, described above, in 0.3 g of deionized water, under stirring. Then it add 139 g of an aqueous solution of NaOH (0.2 M) and leave, in stirring, for 16 h. The suspension obtained is filtered and the resulting solid is washed with deionized water until elimination of chlorides. Finally, the solid is dried at 100 ° C for 16 h. He Final percentage by weight of gold in the catalyst was 2.09%.
0,5 g del catalizador descrito en el ejemplo 8 se introdujeron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. La reacción se llevó a cabo empleando una mezcla de gases A y B, con una relación molar A/B= 2/8. La mezcla A, es una mezcla de gases con un relación molar monóxido de carbono:aire= 1/99. La mezcla B, es helio puro. A una temperatura de reacción de 10ºC y un caudal total de gases de 0.5 l/min, el análisis de reactivos y productos muestra una conversión de monóxido de carbono del 5.0%.0.5 g of the catalyst described in example 8 is introduced into a fixed bed quartz reactor. The reaction is carried out using a mixture of gases A and B, with a ratio molar A / B = 2/8. The mixture A, is a mixture of gases with a ratio carbon monoxide molar: air = 1/99. Mix B is pure helium. TO a reaction temperature of 10 ° C and a total gas flow of 0.5 l / min, the analysis of reagents and products shows a 5.0% carbon monoxide conversion.
0,5 g del catalizador descrito en el ejemplo 8 se introdujeron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. La reacción se llevó a cabo empleando una mezcla de gases A y B, con una relación molar A/B= 5/7. La mezcla A, es una mezcla de gases con un relación molar monóxido de carbono:oxígeno:helio= 2/1/97. La mezcla B, es hidrógeno puro. A una temperatura de reacción de 60ºC y un caudal total de gases de 1,2 l/min, el análisis de reactivos y productos muestra una conversión de monóxido de carbono del 27% con una conversión de hidrógeno del 0,50%.0.5 g of the catalyst described in example 8 is introduced into a fixed bed quartz reactor. The reaction is carried out using a mixture of gases A and B, with a ratio molar A / B = 5/7. The mixture A, is a mixture of gases with a ratio carbon monoxide molar: oxygen: helium = 2/1/97. The B mix is pure hydrogen At a reaction temperature of 60 ° C and a flow rate total gas of 1.2 l / min, the analysis of reagents and products shows a 27% carbon monoxide conversion with a 0.50% hydrogen conversion.
Claims (25)
EO_{20} plurónico P_{123}.16. A process according to claim 1 wherein the alkene oxide polymer is E20PO70
EO 20 pluronic P 123.
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TERRIBILE,D. et al. "The Synthesis and Characterization of Mesoporous High-Surface Area Ceria Prepared Using a Hybrid Organic/Inorganic Route" JOURNAL OF CATALYSIS 15-08-1998 Vol. 178 Páginas 299-308. * |
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