ES2366218A1 - Hydrogen production through a thermoquimic water dissociation cycle using redox oxides (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Producción de hidrógeno mediante un ciclo termoquímico de disociación de agua utilizando óxidos redox.Hydrogen production through a cycle Thermochemical water dissociation using redox oxides.
La presente invención se refiere a un procedimiento de producción de hidrógeno mediante un ciclo termoquímico que comprende el uso de óxidos activos. Por tanto, la presente invención se puede encuadrar dentro del campo de la producción de energía, en concreto de la producción de hidrógeno.The present invention relates to a hydrogen production process through a cycle thermochemical that includes the use of active oxides. Therefore, the The present invention can be framed within the field of energy production, specifically the production of hydrogen.
En la actualidad el 86% del hidrógeno producido procede del reformado de hidrocarburos, sin embargo esta ruta no ofrece una solución a la problemática derivada de la dependencia a los combustibles fósiles, así como a la reducción de las emisiones de CO_{2}. Por ello, para construir una economía de hidrógeno verdaderamente sostenible es necesario que éste sea producido a partir de fuentes y elementos renovables.Currently 86% of the hydrogen produced It comes from the refurbished hydrocarbons, however this route does not offers a solution to the problem derived from dependence on fossil fuels, as well as reducing emissions of CO2. Therefore, to build a hydrogen economy truly sustainable it is necessary that it be produced at from sources and renewable elements.
Dentro de este marco, una de las alternativas es la producción de hidrógeno a partir de agua y energía solar concentrada. Es posible realizar una ruptura directa de la molécula de agua, sin embargo este proceso presenta desventajas como la alta temperatura requerida (2227ºC) o la necesidad de separar el hidrógeno del oxígeno producido. Por este motivo, la ruptura indirecta de la molécula de agua mediante ciclos termoquímicos no sólo elimina la necesidad de separar el hidrógeno y el oxígeno si no que además la temperatura requerida para llevar a cabo la reacción es menor. Asimismo la conversión del calor directamente en hidrógeno mediante ciclos termoquímicos es mucho más eficiente que transformando calor en electricidad o realizando la electrólisis del agua.Within this framework, one of the alternatives is hydrogen production from water and solar energy concentrated. It is possible to make a direct break of the molecule of water, however this process has disadvantages such as high required temperature (2227 ° C) or the need to separate the hydrogen from the oxygen produced. For this reason, the break indirectly of the water molecule by thermochemical cycles not only eliminates the need to separate hydrogen and oxygen if not that also the temperature required to carry out the reaction It is smaller. Also the conversion of heat directly into hydrogen by thermochemical cycles it is much more efficient than transforming heat into electricity or performing electrolysis of Water.
Dentro de los ciclos de dos etapas, aquellos basados en óxidos metálicos redox se han estudiado extensivamente por ser los sistemas más simples y eficientes en la producción cíclica de hidrógeno a partir de agua. El ciclo en dos etapas utilizando óxidos metálicos redox procede a través de una primera etapa endotérmica de reducción térmica donde el óxido pierde parcialmente oxígeno de su estructura (Ec 1) seguido de una segunda etapa exotérmica (Ec 2) correspondiente a la hidrólisis del óxido anterior parcialmente reducido para formar H_{2} y regenerar el óxido metálico (Ec 2).Within the two-stage cycles, those based on redox metal oxides have been studied extensively for being the simplest and most efficient systems in production Cyclic hydrogen from water. The two stage cycle using redox metal oxides proceeds through a first endothermic thermal reduction stage where the oxide loses partially oxygen of its structure (Ec 1) followed by a second exothermic stage (Ec 2) corresponding to the hydrolysis of the oxide partially reduced anterior to form H2 and regenerate the metal oxide (Ec 2).
La reacción neta es H_{2}O + energía térmica \rightarrow H_{2} + ½ O_{2}.The net reaction is H2O + thermal energy ? H 2 + ½ O 2.
Este ciclo fue originalmente propuesto por
Nakamura en Solar Energy 1977, 19, 467 usando el par redox
Fe_{3}O_{4}/
FeO. Subsecuentemente, el par redox ZnO/Zn
ha sido también considerado como un candidato potencial para llevar
a cabo la ruptura de agua en ciclos termoquímicos de dos etapas
teniendo en cuenta su potencial eficiencia en la transformación como
se indica en J. Chem. Eng. Sci. 1998, 53(14), 2503.
Sin embargo la elevada temperatura de reducción de los pares redox
ZnO/Zn (> 1962ºC) y Fe_{3}O_{4}/FeO (>2227ºC) implican
severa sinterización, fusión y vaporización de los materiales que
decrecen la eficiencia y durabilidad en la operación cíclica.
Adicionalmente en los ciclos utilizando estos pares redox se hace
necesaria la separación de los productos de la reducción (FeO o Zn)
para evitar su reoxidación, un hecho que introduce
irreversibilidades y complejidad en la operación a gran escala.This cycle was originally proposed by Nakamura in Solar Energy 1977, 19, 467 using the redox pair Fe 3 O 4 /
Ugly. Subsequently, the ZnO / Zn redox pair has also been considered as a potential candidate to carry out water rupture in two-stage thermochemical cycles taking into account its potential transformation efficiency as indicated in J. Chem. Eng. Sci 1998, 53 (14), 2503 . However, the high reduction temperature of the ZnO / Zn (> 1962 ° C) and Fe 3 O 4 / FeO (> 2227 ° C) redox pairs implies severe sintering, melting and vaporization of materials that decrease efficiency and durability in Cyclic operation Additionally, in the cycles using these redox pairs, the separation of the reduction products (FeO or Zn) is necessary to avoid reoxidation, a fact that introduces irreversibilities and complexity in large-scale operation.
Para rebajar la temperatura de reducción del Fe_{3}O_{4} a FeO, se han examinado materiales basados en soluciones sólidas entre Fe_{3}O_{4} y otros óxidos formando ferritas con estructura espinela MFe_{2}O_{4}. Se han ensayado espinelas de Co, como se indica en Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27(6), 611, de Ni como se muestra en Solar Energy 2008; 82, 73, de Zn como se indica en Solar Energy 2004, 76, 317, de Ni-Zn como se muestra en Solar Energy 2005, 79, 409 y Ni-Mn como se presenta en Energy, 1995, 20(4) 325. Estas ferritas se reducen térmicamente a temperaturas inferiores a la del caso del Fe_{3}O_{4} puro. Sin embargo la reducción térmica de estas ferritas esta próxima a sus puntos de fusión y por lo tanto las ferritas reducidas sinterizan tras la reducción decreciendo la producción de H_{2} en el ciclo subsiguiente de hidrólisis. Para prevenir la sinterización de las ferritas durante la reducción térmica se ha propuesto soportarlas en ZrO_{2} monoclínica o en ZrO_{2} cúbica estabilizada con itrio debido a sus buenas propiedades térmicas frente a la sinterización en el intervalo de temperaturas desde 1000 a 1400ºC como se indica en los artículos publicados en Sol. Energy 2005, 78, 623; Solar Energy 2008, 82, 73 y J. Solar Energy Eng. 2008 130(1), 1. Este tipo de ferritas soportadas presentan producciones de hidrógeno y estabilidad en los ciclos superiores a las ferritas sin soportar. No obstante aunque con estas aproximaciones se consiguen temperaturas de reducción más moderadas que aquellas requeridas por el par Fe_{3}O_{4}/FeO, la producción de hidrógeno alcanzada es baja lo que lleva aún a la búsqueda de alternativas.To reduce the temperature of reduction of Fe 3 O 4 to FeO, materials based on solid solutions between Fe 3 O 4 and other oxides forming ferrites with spinel structure MFe 2 O 4 have been examined } Co spinels have been tested, as indicated in Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27 (6), 611 , Ni as shown in Solar Energy 2008; 82, 73, of Zn as indicated in Solar Energy 2004, 76, 317 , of Ni-Zn as shown in Solar Energy 2005, 79, 409 and Ni-Mn as presented in Energy, 1995, 20 (4) 325 . These ferrites are thermally reduced at temperatures below that of the case of pure Fe 3 O 4. However, the thermal reduction of these ferrites is close to their melting points and therefore the reduced ferrites sinter after reduction by decreasing the production of H2 in the subsequent hydrolysis cycle. To prevent sintering of ferrites during thermal reduction, it has been proposed to support them in monoclinic ZrO2 or in cubic ZrO2 stabilized with yttrium due to their good thermal properties against sintering in the temperature range from 1000 to 1400 ° C as indicated in the articles published in Sol. Energy 2005, 78, 623; Solar Energy 2008, 82, 73 and J. Solar Energy Eng. 2008 130 (1) , 1. This type of supported ferrites has hydrogen productions and stability in cycles superior to unsupported ferrites. However, although with these approximations, more moderate reduction temperatures are achieved than those required by the Fe_ {O} {{4} / FeO) pair, the hydrogen production achieved is low, which still leads to the search for alternatives.
Ciclos termoquímicos basados en CeO_{2}/Ce_{2}O_{3} como se muestra en Solar Energy 80, 1611, en SnO_{2}/SnO como se indica en Int. J. of Hyd. Energy 2008, 33, 6021 y GeO_{2}/GeO como se muestra en Int. J. of Hyd. Energy 2009, 34, 4283, han sido los últimos óxidos metálicos reportados que presentan temperaturas de reducción inferiores al Fe_{3}O_{4} y al ZnO. Entre ellos, el par CeO_{2}/Ce_{2}O_{3} es el más interesante debido a la posibilidad que ofrece para su reducción térmica a temperaturas inferiores a 1800 K como se indica en Energy 2007 32, 656. Para mejorar la reducibilidad a baja temperatura del óxido de cerio, se han estudiado materiales basados en CeO_{2} dopado con diferentes elementos (M = Mn, Fe, Ni y Cu) como óxidos redox para llevar a cabo el ciclo termoquímico de ruptura de agua en dos etapas como se muestra en los trabajos publicados en Energy 2007 32, 656; J. Mater. Sci 2008 43, 3153 y J. Phys. Chem. Sol. 2009, 70, 1008. En estos sistemas se observa una mejora en la producción de hidrógeno (cm^{3}H_{2}/g a 1773 K: 0,97 para Cu-CeO_{2}, 1,9 para Fe-CeO_{2}, 2,6 para Ni-CeO_{2} y 3,77 para Mn-CeO_{2}) en comparación con el CeO_{2} puro (0,7 cm^{3}H_{2}/g) o las ferritas soportadas en ZrO_{2} (1,77 cm^{3}H_{2}/g). A pesar de estas mejoras el principal problema asociado al óxido de cerio como material redox en ciclos térmicos de alta temperatura deriva de su baja estabilidad térmica que implica sinterización con pérdida de área superficial durante los tratamientos a altas temperaturas.Thermochemical cycles based on CeO 2 / Ce 2 O 3 as shown in Solar Energy 80, 1611 , in SnO 2 / SnO as indicated in Int. J. of Hyd. Energy 2008, 33, 6021 and GeO2 / GeO as shown in Int. J. of Hyd. Energy 2009, 34, 4283 , have been the last reported metal oxides that have reduction temperatures lower than Fe 3 O 4 and ZnO. Among them, the CeO_ {2} / Ce_ {2} {3} pair is the most interesting due to the possibility it offers for its thermal reduction at temperatures below 1800 K as indicated in Energy 2007 32, 656 . To improve the low temperature reducibility of cerium oxide, materials based on CeO2 doped with different elements (M = Mn, Fe, Ni and Cu) have been studied as redox oxides to carry out the thermochemical cycle of rupture of water in two stages as shown in the works published in Energy 2007 32, 656; J. Mater. Sci 2008 43, 3153 and J. Phys. Chem. Sol. 2009, 70, 1008 . In these systems, an improvement in hydrogen production is observed (cm 3 H 2 / g at 1773 K: 0.97 for Cu-CeO 2, 1.9 for Fe-CeO 2, 2 , 6 for Ni-CeO 2 and 3.77 for Mn-CeO 2) compared to pure CeO 2 (0.7 cm 3 H 2 / g) or supported ferrites in ZrO 2 (1.77 cm 3 H 2 / g). Despite these improvements, the main problem associated with cerium oxide as a redox material in high temperature thermal cycles derives from its low thermal stability, which implies sintering with loss of surface area during high temperature treatments.
De los óxidos metálicos redox del estado de la técnica descritos anteriormente, existen mejoras deseables para el desarrollo de materiales que presenten una menor temperatura de reducción térmica, elevada estabilidad térmica y elevada capacidad para la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos a partir de agua.Of the redox metal oxides of the state of technique described above, there are desirable improvements to the development of materials that have a lower temperature of thermal reduction, high thermal stability and high capacity for the production of hydrogen by thermochemical cycles at from water.
La presente invención proporciona un procedimiento para la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos utilizando óxidos de cerio modificados. Estos sistemas permiten la producción de hidrógeno puro a baja temperatura, de manera cíclica, mediante la utilización de un sistema sencillo y de fácil operación. Siendo un procedimiento para la producción de hidrógeno de forma renovable y fuera del ciclo del carbono.The present invention provides a process for the production of hydrogen by cycles thermochemicals using modified cerium oxides. These systems allow the production of pure hydrogen at low temperature, of cyclically, by using a simple system and easy operation Being a procedure for the production of hydrogen in a renewable way and outside the carbon cycle.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de H_{2} mediante la disociación de agua por un ciclo termoquímico que comprende el empleo de óxidos de cerio modificados, como catalizadores, soportados o no sobre un soporte. La presente invención también proporciona un catalizador de óxido de cerio modificado sobre un soporte, así como su procedimiento de obtención.The present invention relates to a procedure for the production of H2 by dissociation of water by a thermochemical cycle that includes the use of oxides modified cerium, as catalysts, supported or not supported on a support. The present invention also provides a catalyst of modified cerium oxide on a support, as well as its procurement procedure
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de hidrógeno, (a partir de ahora procedimiento de la invención), que comprende las etapas:A first aspect of the present invention is refers to a process for obtaining hydrogen, (from now method of the invention), which comprises the steps:
- a)to)
- reducción de un catalizador mediante energía térmica a una temperatura superior a 820ºC, yreduction of a catalyst by thermal energy at a temperature higher than 820 ° C, and
- b)b)
- oxidación del catalizador obtenido en la etapa (a) con vapor de agua,oxidation of the catalyst obtained in stage (a) with water vapor,
donde el catalizador es un óxido de cerio modificado con al menos un catión que se selecciona de la lista que comprende: Ti^{4+}, Sr^{2+}, Hf^{4+}, La^{3+}, Ba^{2+}, Gd^{3+}, Y^{3+}, Pr^{4+}, Ca^{2+} y cualquiera de sus combinaciones, donde porcentaje de sustitución del catión cerio es del 0,01 al 49%.where the catalyst is a cerium oxide modified with at least one cation that is selected from the list that comprises: Ti 4+, Sr 2+, Hf 4+, La 3+, Ba 2+, Gd 3+, Y 3+, Pr 4+, Ca 2+ and any of its combinations, where percentage of cerium cation replacement is from 0.01 to 49%.
En una realización preferida el catión se selecciona de entre La^{3+}, Zr^{4+}, Pr^{4+} o cualquiera de sus combinaciones.In a preferred embodiment the cation is select from La 3+, Zr 4+, Pr 4+ or any of your combinations
Los óxidos de cerio empleados en el procedimiento de la invención presentan un buen comportamiento en términos de actividad y estabilidad, manteniendo un área superficial superior a 5 m^{2}/g y elevada movilidad de los iones oxígeno en la red del óxido de cerio a elevada temperatura.The cerium oxides used in the procedure of the invention exhibit a good behavior in terms of activity and stability, maintaining a surface area greater than 5 m 2 / g and high mobility of oxygen ions in Cerium oxide network at high temperature.
El óxido de cerio modificado puede estar depositado sobre un soporte. En una realización preferida el soporte se selecciona de entre metálico, óxido metálico, aleación metálica, soporte de elevada estabilidad térmica o cualquiera de sus combinaciones. Por "soporte metálico" en la presente invención se entiende aquella sustancia que actúa como soporte y es de composición metálica, con elementos metálicos que se seleccionan de entre alcalino-térreo, metal de transición, tierras raras o metaloides. Por "aleación metálica" en la presente invención se entiende por a una mezcla sólida que comprende dos o más metales uniformemente distribuidos en el seno del material sólido. Por "soporte de elevada estabilidad térmica" se
\hbox{entiende en la presente invención a un material altamente resistente a la degradación térmica.}The modified cerium oxide may be deposited on a support. In a preferred embodiment, the support is selected from metallic, metal oxide, metal alloy, high thermal stability support or any combination thereof. By "metallic support" in the present invention is meant that substance that acts as a support and is of metallic composition, with metallic elements that are selected from alkaline earth, transition metal, rare earths or metalloids. By "metallic alloy" in the present invention is meant a solid mixture comprising two or more metals uniformly distributed within the solid material. By "support of high thermal stability"
\ hbox {understands in the present invention a highly material resistant to thermal degradation.}
En una realización más preferida el soporte metálico se selecciona de entre Pt, Ni, Ru, Rh, Co o Pd.In a more preferred embodiment the support Metallic is selected from Pt, Ni, Ru, Rh, Co or Pd.
En otra realización más preferida el soporte de aleación metálica se selecciona de entre Pt-Rh, Ru-Pt o Pt-Ni.In another more preferred embodiment the support of Metal alloy is selected from Pt-Rh, Ru-Pt or Pt-Ni.
En otra realización más preferida el soporte de óxido metálico se selecciona de entre óxido de níquel, óxido de rutenio u óxido de iridio.In another more preferred embodiment the support of metal oxide is selected from nickel oxide, oxide Ruthenium or iridium oxide.
En otra realización más preferida el soporte de elevada estabilidad térmica se selecciona de entre malla metálica, carburo de silicio, óxido de aluminio, óxido de circonio, cordierita o cualquiera de sus combinaciones.In another more preferred embodiment the support of High thermal stability is selected from metal mesh, silicon carbide, aluminum oxide, zirconium oxide, cordierite or any of its combinations.
El depósito de los óxidos modificados sobre soportes de elevada resistencia térmica mejora su actividad y estabilidad térmica en los ciclos de elevada temperatura.The deposit of modified oxides on supports of high thermal resistance improves its activity and thermal stability in high temperature cycles.
El procedimiento de la invención está basado en un ciclo que incluye dos procesos acoplados, basado en la reducción y oxidación sucesiva de óxidos de cerio modificados que actúa de forma efectiva en la disociación del agua. En dicho ciclo, el primer proceso o etapa según se indicó anteriormente el óxido de cerio modificado se reduce parcialmente a temperaturas mayores a 820ºC, y en la siguiente etapa el óxido de cerio parcialmente reducido se oxida con agua captando el oxígeno de esta molécula y liberando simultáneamente hidrógeno (H_{2}) gaseoso.The process of the invention is based on a cycle that includes two coupled processes, based on reduction and successive oxidation of modified cerium oxides acting as effective way in the dissociation of water. In that cycle, the first process or step as indicated above cerium oxide modified is partially reduced at temperatures greater than 820 ° C, and in the next stage the partially reduced cerium oxide is oxidizes with water capturing the oxygen of this molecule and releasing simultaneously hydrogen (H2) gas.
La energía térmica empleada en la etapa (a) puede ser cualquier fuente de calor que proporcione una temperatura superior a 1100ºC, preferiblemente la energía térmica empleada en la etapa (a) es energía solar térmica.The thermal energy used in step (a) it can be any source of heat that provides a temperature greater than 1100 ° C, preferably the thermal energy used in the Stage (a) is solar thermal energy.
La etapa de oxidación se puede realizar con una corriente gaseosa que comprende vapor de agua con una pureza del 5 al 100%. Más preferiblemente la pureza del vapor de agua es del 20 al 100%.The oxidation stage can be performed with a gaseous stream comprising water vapor with a purity of 5 to 100%. More preferably the purity of the water vapor is 20 to 100%.
El procedimiento de la invención puede llevarse a cabo en cada una de las dos etapas, de forma independiente, a temperaturas inferiores a los 1600ºC.The process of the invention can be carried out. carried out in each of the two stages, independently, to temperatures below 1600 ° C.
Es deseable aplicar la menor temperatura posible para maximizar el rendimiento del ciclo y la durabilidad de los óxidos de cerio modificados.It is desirable to apply the lowest possible temperature to maximize cycle performance and durability of modified cerium oxides.
En una realización preferida el procedimiento de la invención se lleva a cabo en un reactor que se selecciona de entre reactor de lecho fijo, reactor de lecho fluidizado, reactor de lecho móvil o en reactor de lecho arrastrado.In a preferred embodiment the process of the invention is carried out in a reactor that is selected from between fixed bed reactor, fluidized bed reactor, mobile bed or dragged bed reactor.
Donde en una realización más preferida reactor se selecciona de entre reactor de lecho fluidizado, reactor de lecho móvil o en reactor de lecho arrastrado.Where in a more preferred embodiment reactor is selected from among fluidized bed reactor, bed reactor mobile or in dragged bed reactor.
El procedimiento de la invención permite la conversión del calor directamente en hidrógeno de forma más eficiente que transformando calor en electricidad y realizando la electrólisis convencional del agua.The process of the invention allows the heat conversion directly into hydrogen more efficient than transforming heat into electricity and performing the conventional electrolysis of water.
La presente invención se refiere, por tanto, a un procedimiento sencillo de producción hidrógeno a partir de sustancias renovables y abundantes en la naturaleza como son la radiación solar y el agua. Una ventaja destacada del procedimiento de la invención es la mayor eficiencia teórica de este proceso respecto a la electrólisis de agua acoplada con un sistema de generación solar de electricidad debido a la eficiencia energética de la invención no está limitada por la conversión de calor en electricidad.The present invention therefore relates to a simple hydrogen production process from renewable and abundant substances in nature such as the solar radiation and water. A prominent advantage of the procedure of the invention is the greatest theoretical efficiency of this process regarding the electrolysis of water coupled with a system of solar electricity generation due to energy efficiency of the invention is not limited by the conversion of heat into electricity.
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un compuesto, (a partir de ahora compuesto de la invención), que comprende un óxido de cerio modificado con al menos un catión que se selecciona de la lista que comprende: Ti^{4+}, Sr^{2+}, Hf^{4+}, La^{3+}, Ba^{2+}, Gd^{3+}, Y^{3+}, Pr^{4+}, Ca^{2+} y cualquiera de sus combinaciones, donde porcentaje de sustitución del catión cerio es del 0,01 al 49%, donde el óxido de cerio modificado está depositado sobre un soporte.In a second aspect, the present invention is refers to a compound, (hereafter compound of the invention), comprising a cerium oxide modified with at least a cation that is selected from the list comprising: Ti 4+, Sr 2+, Hf 4+, La 3+, Ba 2+, Gd 3+, Y 3+, Pr 4+, Ca 2+ and any combination thereof, where Cerium cation replacement percentage is 0.01 to 49%, where The modified cerium oxide is deposited on a support.
En una realización preferida el catión se selecciona de entre La^{3+}, Zr^{4+}, Pr^{4+} o cualquiera de sus combinaciones.In a preferred embodiment the cation is select from La 3+, Zr 4+, Pr 4+ or any of your combinations
En una realización preferida el soporte se selecciona de entre metálico, óxido metálico, aleación metálica, soporte de elevada estabilidad térmica o cualquiera de sus combinaciones, tal y como se han descrito anteriormente.In a preferred embodiment the support is select from metallic, metallic oxide, metallic alloy, high thermal stability support or any of its combinations, as described above.
En una realización más preferida el soporte metálico se selecciona de entre Pt, Ni, Ru, Rh, Co o Pd.In a more preferred embodiment the support Metallic is selected from Pt, Ni, Ru, Rh, Co or Pd.
En otra realización preferida el soporte de aleación metálica se selecciona de entre Pt-Rh, Ru-Pt o Pt-Ni.In another preferred embodiment the support of Metal alloy is selected from Pt-Rh, Ru-Pt or Pt-Ni.
En otra realización más preferida el soporte de óxido metálico se selecciona de entre óxido de níquel, óxido de rutenio u óxido de iridio.In another more preferred embodiment the support of metal oxide is selected from nickel oxide, oxide Ruthenium or iridium oxide.
En otra realización más preferida el soporte de elevada estabilidad térmica se selecciona de entre una malla metálica, carburo de silicio, óxido de aluminio, óxido de circonio, cordierita o cualquiera de sus combinaciones.In another more preferred embodiment the support of high thermal stability is selected from a mesh metallic, silicon carbide, aluminum oxide, zirconium oxide, Cordierite or any of its combinations.
Preferiblemente el soporte tiene un porcentaje en peso de entre el 0,01% y el 5% respecto al óxido de cerio modificado. Y más preferiblemente el porcentaje en peso de entre 0,1 y el 2% respecto al óxido de cerio modificado.Preferably the support has a percentage by weight between 0.01% and 5% with respect to cerium oxide modified. And more preferably the weight percentage of between 0.1 and 2% with respect to modified cerium oxide.
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere al uso del compuesto de la invención como catalizador.A third aspect of the present invention is refers to the use of the compound of the invention as a catalyst.
En una realización preferida el compuesto de la invención se usa como catalizador para la producción de hidrógeno.In a preferred embodiment the compound of the invention is used as a catalyst for the production of hydrogen.
En otra realización preferida la producción de hidrógeno se realiza a partir de vapor de agua.In another preferred embodiment the production of Hydrogen is made from water vapor.
Un cuarto aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención del compuesto de la invención, que comprende las etapas:A fourth aspect of the present invention is refers to a procedure for obtaining the compound of the invention, comprising the steps:
- a)to)
- sustitución catiónica del cerio, en el óxido de cerio, mediante un método que se selecciona de entre: coprecipitación química, evaporación, reacción en estado sólido, combustión, síntesis sol-gel o síntesis hidrotermal, ycationic replacement of cerium, in the cerium oxide, by a method that is selected from: chemical coprecipitation, evaporation, solid state reaction, combustion, sol-gel synthesis or hydrothermal synthesis, Y
- b)b)
- Depósito del óxido de cerio modificado obtenido en la etapa (a) sobre al menos un soporte por un método que se selecciona de entre impregnación, coprecipitación-deposito, intercambio iónico, inmersión-evaporación, microemulsión, dip-coating, pulverización, electropulverización o cualquiera de sus combinaciones.Modified Cerium Oxide Deposit obtained in step (a) on at least one support by a method that is selected from impregnation, coprecipitation-deposit, ion exchange, immersion-evaporation, microemulsion, dip-coating, spraying, electrospray or Any of your combinations.
La sustitución catiónica, es decir, la introducción de cationes en la estructura del óxido de cerio se puede realizar mediante cualquiera de las metodologías conocidas en el estado de la técnica y conocido por cualquier experto en la materia, que dan lugar a sólidos de alta área superficial. En una realización preferida el método de sustitución catiónica de la etapa (a) se selecciona de entre coprecipitación química, síntesis sol-gel o síntesis hidrotermal.The cationic substitution, that is, the introduction of cations in the cerium oxide structure is you can perform using any of the known methodologies in the state of the art and known to any expert in the matter, which give rise to solids of high surface area. In a preferred embodiment the cationic step replacement method (a) is selected from chemical coprecipitation, synthesis sol-gel or hydrothermal synthesis.
Por otra parte, el depósito se puede realizar por impregnación o bien por precipitación-depósito.Moreover, the deposit can be made by impregnation or by precipitation-deposit.
El empleo de soportes sobre la superficie de óxidos modificados de cerio mejora su actividad en la producción de hidrógeno en la etapa de hidrólisis (etapa (b)) del procedimiento de la invención, Al igual que la sustitución catiónica los métodos de deposición pueden ser cualquiera de la metodologías conocidas por cualquier experto en la materia que den lugar a distribuciones homogéneas, con bajo grado de aglomeración y buena dispersión de las partículas metálicas o de óxidos.The use of supports on the surface of modified oxides of cerium improves its activity in the production of hydrogen in the hydrolysis stage (step (b)) of the process of the invention, like the cationic substitution methods of deposition can be any of the methodologies known for any subject matter expert that will give rise to distributions homogeneous, with low agglomeration and good dispersion of metal particles or oxides.
En el caso de ser soportes de elevada estabilidad térmica, lo que se deposita son los óxidos de cerio modificados sobre el soporte, depositándose en cantidades comprendidas entre 0,05 y 1 g/cm^{2}, más preferiblemente entre 0,05 y 0,20 g/cm^{2}.In the case of being high supports thermal stability, what is deposited are cerium oxides modified on the support, depositing in quantities between 0.05 and 1 g / cm2, more preferably between 0.05 and 0.20 g / cm2.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.Throughout the description and the claims the word "comprises" and its variants not they intend to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will be partly detached of the description and in part of the practice of the invention. The The following examples are provided by way of illustration, and are not It is intended to be limiting of the present invention.
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la especificidad y efectividad del procedimiento de producción de hidrógeno mediante el empleo de un catalizador de óxido de cerio modificado.The invention will be illustrated below through tests carried out by the inventors, which puts manifest the specificity and effectiveness of the procedure of hydrogen production through the use of a catalyst modified cerium oxide.
Ejemplo 1Example one
Este ejemplo ilustra la preparación de un óxido de cerio modificado activo y estable en la producción de hidrógeno de acuerdo a la presente invención, basado en un óxido de cerio modificado con cationes de diferente naturaleza (M^{n+}= Ti^{4+}, Sr^{2+}, Zr^{4+}, Hf^{4+}, La^{3+}, Tb^{3+}, Ba^{2+}, Gd^{3+}, Y^{3+} o Pr^{4+}). Se realiza la coprecipitación de los iones Ce^{4+} y M^{n+} utilizando como agente precipitante NH_{4}OH generado a partir de la hidrólisis controlada de urea. Los sólidos obtenidos se secaron en aire y se trataron posteriormente en aire a 650ºC durante 10 h para calcinarlas.This example illustrates the preparation of an oxide of modified cerium active and stable in hydrogen production according to the present invention, based on a cerium oxide modified with cations of different nature (M n + = Ti 4+, Sr 2+, Zr 4+, Hf 4+, La 3+, Tb 3+, Ba 2+, Gd 3+, Y 3+ or Pr 4+). The coprecipitation of the Ce 4+ and M n + ions using as precipitating agent NH4OH generated from hydrolysis urea controlled. The solids obtained were air dried and subsequently treated in air at 650 ° C for 10 h to calcine them
Ejemplo 2Example 2
Este ejemplo ilustra la preparación de un óxido de cerio modificado activo y estable en la producción de hidrógeno de acuerdo a la presente invención, basado en el depósito de metales (Ru, Co, Rh, Pd, Pt, Ni, Pt-Rh, Ru-Pt o Pt-Ni) sobre la superficie de los óxidos modificados de cerio preparados según el ejemplo 1. El depósito de los metales sobre la superficie de los óxidos modificados de cerio se realiza por impregnación húmeda de los óxidos modificados de cerio con disoluciones conteniendo los iones metálicos. Tras la impregnación los sólidos obtenidos se secaron en aire y se trataron posteriormente en aire a diferentes temperaturas para calcinarlas y asegurar la adherencia de los metales al óxido modificado de cerio.This example illustrates the preparation of an oxide of modified cerium active and stable in hydrogen production according to the present invention, based on the deposit of metals (Ru, Co, Rh, Pd, Pt, Ni, Pt-Rh, Ru-Pt or Pt-Ni) on the surface of the modified cerium oxides prepared according to example 1. The deposit of metals on the surface of oxides Modified cerium is performed by wet impregnation of the modified cerium oxides with solutions containing ions metallic After impregnation the solids obtained were dried in air and were subsequently treated in air at different temperatures to calcine them and ensure adhesion of metals to rust modified cerium.
Ejemplo 3Example 3
Este ejemplo ilustra la preparación de un óxido de cerio modificado activo y estable en la producción de hidrógeno de acuerdo a la presente invención, basado en un óxido de cerio modificado con cationes de diferente naturaleza (M^{n+}= Ti^{4+}, Sr^{2+}, Zr^{4+}, Hf^{4+}, La^{3+}, Tb^{3+}, Ba^{2+}, Gd^{3+}, Y^{3+} o Pr^{4+}) y depositado sobre un substrato de elevada estabilidad térmica (metales conformados, SiC, óxidos de aluminio, cordierita u óxidos de circonio). Se realiza la coprecipitación de los iones Ce^{4+} y M^{n+} in situ sobre el substrato utilizando como agente precipitante NH_{4}OH generado a partir de la hidrólisis controlada de urea. Los sólidos obtenidos se secaron y se trataron posteriormente en aire a 650ºC durante 10 h para calcinarlas y asegurar la adherencia de la capa de óxido modificado de cerio al soporte.This example illustrates the preparation of an active and stable modified cerium oxide in the production of hydrogen according to the present invention, based on a modified cerium oxide with cations of different nature (M n + = Ti 4+ , Sr 2+, Zr 4+, Hf 4+, La 3+, Tb 3+, Ba 2+, Gd 3+ , Y 3+ or Pr 4+) and deposited on a substrate of high thermal stability (shaped metals, SiC, aluminum oxides, cordierite or zirconium oxides). Coprecipitation of the Ce 4+ and M n + ions is carried out in situ on the substrate using as a precipitating agent NH 4 OH generated from the controlled hydrolysis of urea. The solids obtained were dried and subsequently treated in air at 650 ° C for 10 h to calcine them and ensure adhesion of the modified oxide layer of cerium to the support.
Ejemplo 4Example 4
Este ejemplo ilustra el comportamiento como óxido redox en el ciclo termoquímico de disociación de agua de un óxido de cerio modificado representativo de la presente patente en la producción de hidrógeno mediante reacción de disociación termoquímica de agua. Este ejemplo además ilustra el comportamiento comparativo frente a óxidos redox pertenecientes al estado del arte reclamados para la producción de hidrógeno por reacción de disociación termoquímica de agua (CeO_{2} según Solar Energy 80.1611).This example illustrates the redox oxide behavior in the thermochemical cycle of water dissociation of a modified cerium oxide representative of the present patent in the production of hydrogen by thermochemical water dissociation reaction. This example also illustrates the comparative behavior against redox oxides belonging to the state of the art claimed for the production of hydrogen by thermochemical dissociation reaction of water (CeO 2 according to Solar Energy 80.1611 ).
La muestra A se corresponde con el CeO_{2} representativo del estado de la técnica que consiste en el óxido sin modificar y preparado según el procedimiento descrito en el ejemplo 1. Los óxidos de cerio modificados B y C se prepararon según el procedimiento descrito en el ejemplo 1 variando la naturaleza del catión introducido en la estructura del óxido de cerio (muestra B: Zr en una concentración 20% molar y muestra C: Ca en una concentración del 20% molar).Sample A corresponds to CeO_ {2} representative of the state of the art consisting of the oxide without modify and prepared according to the procedure described in the example 1. The modified cerium oxides B and C were prepared according to procedure described in example 1 varying the nature of the cation introduced into the cerium oxide structure (sample B: Zr in a 20% molar concentration and shows C: Ca in a 20% molar concentration).
Los óxidos se ensayaron en los ciclos de reducción térmica e hidrólisis en un sistema de ensayos a escala de laboratorio. La reducción térmica de los óxidos se realizó bajo gas inerte a 1500ºC mientras que la etapa de hidrólisis sobre los óxidos parcialmente reducidos se realizo bajo corriente de H_{2}O (31% vol) en inerte a 1000ºC. Los gases generados en la reducción térmica (O_{2}) y en la hidrólisis (H_{2}) se analizaron en un cromatógrafo de gases acoplado al sistema de ensayos. Los resultados de producción de hidrógeno obtenida en la etapa de hidrólisis se resumen en la Tabla 1.The oxides were tested in the cycles of thermal reduction and hydrolysis in a test system at scale of laboratory. The thermal reduction of the oxides was carried out under gas inert at 1500 ° C while the hydrolysis stage on the oxides partially reduced was carried out under a stream of H2O (31% vol) in inert at 1000 ° C. The gases generated in the thermal reduction (O 2) and in hydrolysis (H 2) were analyzed in a Gas chromatograph coupled to the test system. The results of hydrogen production obtained in the hydrolysis stage is summary in Table 1.
Los ensayos comparativos de actividad pusieron de manifiesto la mejora en la producción de hidrógeno sobre el óxido "B" preparado según la invención respecto al óxido de cerio reclamado en el estado del arte como activo para la reacción de disociación termoquímica de agua.Comparative activity trials put manifestly the improvement in the production of hydrogen on the oxide "B" prepared according to the invention with respect to cerium oxide claimed in the state of the art as an asset for the reaction of thermochemical water dissociation.
El óxido de cerio modificado "C" ilustrativo de la introducción de un catión no recogido en presente invención presenta un menor nivel de producción de hidrógeno respecto del óxido conteniendo un catión, Zr óxido B, recogido en la invención. Este resultado ilustra el papel fundamental que juega la selección del catión introducido en la red del óxido de cerio para la producción de hidrógeno mediante la disociación termoquímica de agua utilizando ciclos redox.The modified cerium oxide "C" illustrative of the introduction of a cation not included in this invention has a lower level of hydrogen production with respect to the oxide containing a cation, Zr oxide B, collected in the invention. This result illustrates the fundamental role played by the selection of the cation introduced into the cerium oxide network to hydrogen production by thermochemical dissociation of water using redox cycles.
Ejemplo 5Example 5
Este ejemplo es ilustrativo del comportamiento de óxidos de cerio modificados representativos de la presente invención con diferente concentración del catión introducido en la red del óxido de cerio. Los óxidos de cerio modificados B y D se prepararon según el procedimiento descrito en el ejemplo 1 variando la cantidad de catión introducido en la red del óxido (muestra B: Zr en una concentración 20% molar y muestra D: Zr en una concentración del 30% molar).This example is illustrative of the behavior of modified cerium oxides representative of the present invention with different concentration of the cation introduced in the cerium oxide network. The modified cerium oxides B and D are prepared according to the procedure described in example 1 varying the amount of cation introduced into the oxide network (sample B: Zr in a 20% molar concentration and shows D: Zr in a concentration 30% molar).
Los óxidos se ensayaron como óxidos redox utilizando el sistema y condiciones de ensayo descritos en el ejemplo anterior. Los resultados de los ensayos se resumen en la Tabla 2.The oxides were tested as redox oxides using the system and test conditions described in the Previous example. The test results are summarized in the Table 2.
Los ensayos comparativos de actividad enseñan la influencia que la concentración de catión introducido en la red de óxido de cerio tiene en la producción y rendimiento en la generación de hidrógeno conseguidos con la utilización de los óxidos descritos en la patente.Comparative activity trials teach the influence that the cation concentration introduced into the network of cerium oxide has in production and performance in generation of hydrogen achieved with the use of the oxides described in the patent.
Ejemplo 6Example 6
Este ejemplo es ilustrativo del comportamiento de óxidos de cerio modificados representativos de la presente invención basados en el depósito de metales sobre la superficie de los óxidos modificados de cerio. El óxido de cerio modificado E se preparó según el procedimiento descrito en el ejemplo 2 (conteniendo Pt con una concentración 1% en peso).This example is illustrative of the behavior of modified cerium oxides representative of the present invention based on the deposit of metals on the surface of modified oxides of cerium. The modified cerium oxide E is prepared according to the procedure described in example 2 (containing Pt with a concentration 1% by weight).
Los óxidos se ensayaron como óxidos redox utilizando el sistema y condiciones de ensayo descritos en el ejemplo anterior. Los resultados de los ensayos se resumen en la Tabla 3.The oxides were tested as redox oxides using the system and test conditions described in the Previous example. The test results are summarized in the Table 3.
Los ensayos comparativos de actividad enseñan la notable influencia que tiene la presencia del metal en la superficie del óxido de cerio modificado sobre la producción y rendimiento en la generación de hidrógeno conseguidos con la utilización de los óxidos descritos en la patente.Comparative activity trials teach the remarkable influence of the presence of metal on the surface of modified cerium oxide on production and yield in the generation of hydrogen achieved with the use of oxides described in the patent.
Ejemplo 7Example 7
Este ejemplo es ilustrativo del comportamiento de óxidos de cerio modificados y depositados sobre un substrato de elevada estabilidad térmica representativos de la presente invención. El óxido de cerio modificado F se corresponde con el óxido D soportado sobre ZrO_{2} monoclínica (25% en peso de D sobre ZrO_{2}) preparado según el procedimiento descrito en el ejemplo 3.This example is illustrative of the behavior of cerium oxides modified and deposited on a substrate of high thermal stability representative of the present invention. The modified cerium oxide F corresponds to the D oxide supported on monoclinic ZrO2 (25% by weight of D on ZrO2) prepared according to the procedure described in the example 3.
Los óxidos se ensayaron como óxidos redox utilizando el sistema y condiciones de ensayo descritos en el ejemplo anterior. Los resultados de los ensayos se resumen en la Tabla 4.The oxides were tested as redox oxides using the system and test conditions described in the Previous example. The test results are summarized in the Table 4
Los ensayos comparativos de actividad enseñan la notable influencia que tiene el depositar los óxidos de cerio modificados sobre soportes adecuados sobre la producción y rendimiento en la generación de hidrógeno con la utilización de los óxidos descritos en la patente.Comparative activity trials teach the remarkable influence of depositing cerium oxides modified on suitable supports on production and hydrogen generation efficiency with the use of oxides described in the patent.
Claims (28)
- a.to.
- reducción de un catalizador mediante energía térmica a una temperatura superior a 820ºC, yreduction of a catalyst by thermal energy at a temperature higher than 820 ° C, and
- b.b.
- oxidación del catalizador obtenido en la etapa (a) con vapor de agua.oxidation of the catalyst obtained in stage (a) with water vapor.
- a.to.
- La sustitución catiónica del cerio, en el óxido de cerio, mediante un método que se selecciona de entre: coprecipitación química, evaporación, reacción en estado sólido, combustión, síntesis sol-gel o síntesis hidrotermal, yThe cationic replacement of cerium, in cerium oxide, by means of a method selected from: chemical coprecipitation, evaporation, solid state reaction, combustion, synthesis sol-gel or hydrothermal synthesis, and
- b.b.
- el depósito del óxido de cerio modificado obtenido en la etapa (a) sobre al menos un soporte mediante un método que se selecciona de entre impregnación, coprecipitación-deposito, intercambio iónico, inmersión-evaporación, microemulsión, dip-coating, pulverización, electropulverización o cualquiera de sus combinaciones.he modified cerium oxide deposit obtained in step (a) on at least one support by a method that is selected from between impregnation, coprecipitation-deposit, ion exchange, immersion-evaporation, microemulsion, dip-coating, spraying, electrospray or any combination thereof.
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