ES2366848A1 - Method for obtaining doped carbon gels, gels thus obtained and use thereof as catalysts - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method for the synthesis of carbon gels doped superficially with metal nanoparticles, based on the formation of macromolecules comprising a phenolic compound, an aldehyde and at least one surfactant, performing steps in a particular order and under controlled experimental conditions that allow the porosity, the nanostructure and the surface chemistry of the support to be adjusted, thereby obtaining high surface metal dispersion with high sintering resistance. The invention also relates to the carbon gels (aerogels, xerogels and cryogels) obtained using this method and to the catalytic uses thereof.

Description

Método de obtención de geles de carbón dopados, geles obtenidos por dicho método y su aplicación como catalizadores.Method of obtaining doped carbon gels, gels obtained by said method and its application as catalysts

Sector de la técnicaTechnical sector

La presente invención se enmarca dentro del campo de la fabricación de geles de carbón, más concretamente en la fabricación de geles de carbón dopados con metales, materiales empleados habitualmente en electroquímica, como catalizadores en reacciones de síntesis, interés energético o medioambiental, o como adsorbentes de gases u otras moléculas contaminantes.The present invention is framed within the field of the manufacture of coal gels, more specifically in the manufacture of carbon gels doped with metals, materials commonly used in electrochemistry, as catalysts in synthesis reactions, energy or environmental interest, or as adsorbents of gases or other polluting molecules.

Estado de la técnicaState of the art

Los catalizadores metálicos soportados sobre materiales de carbón han sido usados con éxito en multitud de aplicaciones industriales. Los geles de carbón son materiales modernos, usados con éxito en muy diferentes aplicaciones. Aunque los geles inorgánicos (ej. gel de sílice) son materiales clásicos, los geles de carbón solo fueron desarrollados y patentados por Pekala a finales de los 80 [US Patent 4,873,218]. Estos materiales se preparan por carbonización de geles orgánicos, obtenidos a su vez por polimerización de resorcinol (u otros monómeros) y formaldehído en disolución acuosa y catalizada por Na_{2}CO_{3}.The metal catalysts supported on carbon materials have been used successfully in a multitude of industrial applications Carbon gels are materials modern, successfully used in very different applications. Though inorganic gels (eg silica gel) are classic materials, coal gels were only developed and patented by Pekala in the late 80s [US Patent 4,873,218]. These materials they are prepared by carbonization of organic gels, obtained in turn by polymerization of resorcinol (or other monomers) and formaldehyde in aqueous solution and catalyzed by Na2CO3.

Desde finales de los años 90 los inventores de esta patente trabajan en la síntesis de aerogeles de carbón dopados con metales con la idea de obtener directamente materiales con actividad catalítica [Carbon, 37 (1999), pág. 1199-1205] y en sus aplicaciones catalíticas [Applied Catalysis A: General, 183 (1999), págs. 345-356], El método de dopado inicial consistió en disolver la sal precursora de la correspondiente fase activa metálica en la disolución acuosa que contiene también los monómeros orgánicos. La gelificación produce un polímero orgánico dopado con el metal, que al ser carbonizado, produce simultáneamente el gel de carbón y la descomposición de la sal metálica, con formación de nanopartículas metálicas activas en catálisis dispersas en la matriz del gel. Al estar formadas junto a la matriz del polímero, su movilidad y posibilidad de sinterización es menor, y consecuentemente, se puede aumentar la estabilidad de los catalizadores con respecto a los que se preparan por impregnación u otros métodos clásicos. En el estado del arte se encuentran trabajos que describen la preparación de catalizadores metálicos basados en geles de carbón por otras técnicas, como el intercambio iónico, la impregnación directa o la adsorción en equilibrio. Los métodos en general presentan diversas desventajas. En este sentido por ejemplo los métodos basados en el intercambio iónico, adsorción, etc. no permiten ajustar la carga superficial del metal y requieren tratamientos químicos previos para la generación de puntos de anclaje en el soporte, por ejemplo por oxidación de la superficie. Los métodos de impregnación con la sal precursora, generan poca interacción del soporte con el metal, de forma que se favorece la sinterización y la desactivación del catalizador, especialmente a altas cargas metálicas.Since the late 1990s, the inventors of this patent have been working on the synthesis of carbon aerogels doped with metals with the idea of directly obtaining materials with catalytic activity [ Carbon , 37 (1999), p. 1199-1205] and in its catalytic applications [ Applied Catalysis A: General , 183 (1999), p. 345-356], The initial doping method consisted of dissolving the precursor salt of the corresponding metal active phase in the aqueous solution that also contains the organic monomers. The gelation produces an organic polymer doped with the metal, which when carbonized, simultaneously produces the carbon gel and the decomposition of the metal salt, with formation of catalytic active metal nanoparticles dispersed in the gel matrix. Being formed next to the polymer matrix, its mobility and sintering possibility is lower, and consequently, the stability of the catalysts can be increased with respect to those prepared by impregnation or other classical methods. In the state of the art there are works that describe the preparation of metal catalysts based on carbon gels by other techniques, such as ion exchange, direct impregnation or equilibrium adsorption. Methods in general have several disadvantages. In this sense, for example, methods based on ion exchange, adsorption, etc. they do not allow adjusting the surface load of the metal and require prior chemical treatments for the generation of anchor points in the support, for example by oxidation of the surface. The impregnation methods with the precursor salt generate little interaction of the support with the metal, so that the sintering and deactivation of the catalyst is favored, especially at high metal loads.

Respecto a la actividad catalítica de los geles de carbón dopados, éstos han sido usados con éxito en múltiples aplicaciones: reacciones de interés energético (isomerización de alquenos, transformación de alcoholes), reacciones de interés medioambiental (combustión de contaminantes orgánicos del aire o la reducción de óxidos de nitrógeno). También se han aplicado con éxito como catalizadores de los procesos de oxidación avanzados tipo Fenton, para la eliminación de contaminantes colorantes en el agua o como adsorbentes de contaminantes en fase gaseosa. Otros usos son el almacenamiento de hidrógeno o en aplicaciones electroquímicas, como en células de combustible. Finalmente, cabe indicar la aplicación de catalizadores basados en geles de carbón en diversas reacciones de síntesis y en química fina, para la producción de moléculas con aplicaciones farmacéuticas, perfumería, o agroquímicos.Regarding the catalytic activity of gels of doped coal, these have been used successfully in multiple Applications: reactions of energy interest (isomerization of alkenes, transformation of alcohols), reactions of interest environmental (combustion of organic air pollutants or reduction of nitrogen oxides). They have also been successfully applied as catalysts for advanced oxidation processes type Fenton, for the removal of coloring contaminants in water or as adsorbents of contaminants in the gas phase. Other uses are the hydrogen storage or in electrochemical applications, such as in fuel cells. Finally, the application of catalysts based on carbon gels in various reactions of synthesis and in fine chemistry, for the production of molecules with Pharmaceutical, perfumery, or agrochemical applications.

Los métodos conocidos de preparación de catalizadores basados en geles de carbón dopados para aplicaciones catalíticas presentan diversos problemas.The known methods of preparing catalysts based on doped carbon gels for applications Catalytic present various problems.

Por un lado, la disolución de la sal metálica en la disolución conlleva que una fracción (incontrolada) de partículas metálicas quede atrapada dentro de la estructura orgánica del gel (Figura 1), y consecuentemente quede aislada de los reactivos, de tal forma que permanecerán inactivas durante la reacción [Catalysis B: Environmental, 54 (2004), págs.. 217-224], La carga efectiva del catalizador es por tanto, incierta, no es controlable directamente, y además se desaprovecha parte de la fase activa que suelen ser metales caros (Pt, Pd, Au, Mo, Co).On the one hand, the dissolution of the metal salt in the solution implies that a fraction (uncontrolled) of metal particles is trapped within the organic structure of the gel (Figure 1), and consequently is isolated from the reagents, so that they will remain inactive during the reaction [ Catalysis B: Environmental , 54 (2004), pp. 217-224], The effective catalyst charge is therefore uncertain, not directly controllable, and part of the active phase that is usually wasted be expensive metals (Pt, Pd, Au, Mo, Co).

Por otro lado, se requieren progresivamente catalizadores con mayores cargas metálicas en su superficie, específicamente para aplicaciones electroquímicas. Sin embargo otra desventaja adicional de los métodos conocidos es la imposibilidad de dopar a altas concentraciones metálicas, pues se provoca la precipitación del metal de la disolución y la formación de fases heterogéneas. En este sentido el dopado de la disolución original con altas cargas metálicas produce la precipitación del metal de la disolución, generando fases heterogéneas [Carbon 42 (2004) 3217-3227], por lo que esta técnica está limitada a bajas cargas. Para altas cargas metálicas no se recurre al dopado, sino a la impregnación del soporte. No obstante, la impregnación resulta en bajos valores de dispersión y una rápida sinterización del metal, específicamente a altas cargas metálicas y tratamientos térmicos severos, por lo que los catalizadores son poco activos. En estos casos, para mejorar la dispersión del metal sobre el soporte, la reducción de las correspondientes sales se lleva a cabo por métodos químicos que suelen ser caros, lentos y generan residuos no deseados [Carbon, 44 (2006) págs. 2516-2522].On the other hand, catalysts with higher metal charges on their surface, specifically for electrochemical applications, are progressively required. However, another additional disadvantage of the known methods is the impossibility of doping at high metal concentrations, since precipitation of the metal from the solution and the formation of heterogeneous phases is caused. In this sense, the doping of the original solution with high metal loads causes the precipitation of the solution metal, generating heterogeneous phases [ Carbon 42 (2004) 3217-3227], so this technique is limited to low loads. For high metal loads doping is not resorted to, but to the impregnation of the support. However, impregnation results in low dispersion values and rapid sintering of the metal, specifically at high metal loads and severe heat treatments, so the catalysts are not very active. In these cases, to improve the dispersion of the metal on the support, the reduction of the corresponding salts is carried out by chemical methods that are usually expensive, slow and generate unwanted residues [ Carbon , 44 (2006) p. 2516-2522].

Los procesos de descomposición de la sal precursora conducen también a procesos de sinterización. Alternativamente al tratamiento térmico, se usan agentes químicos reductores, que encarecen y dificultan el proceso de síntesis.The processes of salt breakdown precursor also lead to sintering processes. Alternatively to heat treatment, chemical agents are used reducers, which make the synthesis process more difficult and difficult.

A la vista de lo expuesto la presente invención se enfrenta al problema de proporcionar un método de preparación de geles de carbón dopados con metal que supere al menos parte de las desventajas mencionadas.In view of the foregoing the present invention faces the problem of providing a method of preparing carbon gels doped with metal that exceed at least part of the mentioned disadvantages.

El método de la presente invención se basa por una parte en la utilización de un surfactante que introduce gran cantidad de centros de anclaje en el hidrogel formado y en la realización a continuación de la etapa de dopaje sobre el hidrogel previamente obtenido. De este modo los geles dopados resultantes de la presente invención presentan una estable dispersión de la fase metálica (nanopartículas) sobre la superficie de su nanoestructura. Esta elevada dispersión resulta ventajosa durante la posterior carbonización del gel dopado, ya que le confiere a la fase metálica una elevada resistencia a la sinterización. Asimismo el método de la presente invención permite la obtención de aerogeles, xerogeles o criogeles, dependiendo de cómo se lleva a cabo la etapa de secado del gel dopado, dopados con diversos metales que son activos en múltiples procesos catalíticos.The method of the present invention is based on a part in the use of a surfactant that introduces large number of anchor centers in the formed hydrogel and in the realization after the doping stage on the hydrogel previously obtained. In this way the doped gels resulting from The present invention has a stable phase dispersion metallic (nanoparticles) on the surface of its nanostructure. This high dispersion is advantageous during the subsequent carbonization of the doped gel, as it gives the metal phase high sintering resistance. Also the method of This invention allows the obtaining of aerogels, xerogels or cryogels, depending on how the drying stage is carried out of the doped gel, doped with various metals that are active in Multiple catalytic processes

El método contempla asimismo la posibilidad de variar y controlar las condiciones de síntesis, tales como el tipo y concentración de compuesto fenólico y aldehído, la naturaleza iónica y concentración del surfactante, y opcionalmente de co-surfactante, el pH, la temperatura de las distintas etapas, tales como la temperatura de gelificación, la de curado, la de carbonización, los tiempos de cada una de ellas, la presencia o ausencia de agitación. Esta versatilidad de parámetros y condiciones permite obtener geles con distintas características controladas de morfología (microesferas, nanoesferas, nanofibras, o materiales amorfos), porosidad (micro, mesoporosidad y macroporosidad), distribución superficial de las nanopartículas metálicas (y por tanto su accesibilidad a reactivos en posteriores reacción de catalización) y naturaleza química de las nanopartículas metálicas con elevada dispersión y alta resistencia a la sinterización, que presentan ventajas a la hora de su aplicación en procesos catalíticos en los que se vayan a emplear.The method also contemplates the possibility of vary and control synthesis conditions, such as type and concentration of phenolic compound and aldehyde, ionic nature and concentration of the surfactant, and optionally of co-surfactant, the pH, the temperature of the different stages, such as the gelation temperature, that of curing, carbonization, the times of each of them, the presence or absence of agitation. This versatility of parameters and conditions allows to obtain gels with different characteristics controlled morphology (microspheres, nanospheres, nanofibers, or amorphous materials), porosity (micro, mesoporosity and macroporosity), surface distribution of nanoparticles metallic (and therefore its accessibility to reagents in later catalytic reaction) and chemical nature of the nanoparticles metallic with high dispersion and high resistance to sintering, which present advantages at the time of its application in Catalytic processes in which they will be used.

Descripción de las figurasDescription of the figures

Figura 1. Imagen obtenida por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) de una partícula metálica rodeada por la matriz del gel de carbón, generada por un método convencional anterior.Figure 1. Image obtained by microscopy high resolution transmission electronics (HRTEM) of a metal particle surrounded by the carbon gel matrix, generated by a previous conventional method.

Figura 2. Imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de un xerogel comparativo de carbón dopado con Mo, sintetizado en ausencia de surfactantes y co-surfactantes.Figure 2. Electron microscopy image of Sweep (SEM) of a comparative carbon xerogel doped with Mo, synthesized in the absence of surfactants and co-surfactants

Figura 3. Imagen de SEM de un xerogel de carbón dopado con Mo sintetizado por el método de la invención utilizando bromuro de hexadeciltrimetilamonio (CTAB) como surfactante y 1,3,5-trimetilbenceno (TMB) y t-butanol (t-BuOH) como co-surfactantes que conduce a la formación de nanofibras altamente recubiertas de nanopartículas metálicas.Figure 3. SEM image of a coal xerogel doped with Mo synthesized by the method of the invention using hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a surfactant and 1,3,5-trimethylbenzene (TMB) and t-butanol (t-BuOH) as co-surfactants that leads to the formation of Highly coated nanofibers of metal nanoparticles.

Figura 4. Imagen de SEM de un xerogel de carbón dopado con Mo sintetizado por el método de la invención en presencia de CTAB y t-BuOH (en ausencia de TMB) que conduce a la formación de nanoesferas (nótese que estas son mucho más pequeñas que las mostradas en la Figura 2, que son del orden de las microesferas).Figure 4. SEM image of a coal xerogel doped with Mo synthesized by the method of the invention in the presence of CTAB and t-BuOH (in the absence of TMB) leading to the formation of nanospheres (note that these are much smaller than those shown in Figure 2, which are of the order of microspheres).

Figura 5. Imagen de HRTEM de un xerogel de carbón dopado con Mo amorfo.Figure 5. HRTEM image of a xerogel of coal doped with amorphous Mo.

Figura 6. Imagen de HRTEM de un xerogel de carbón dopado con Mo formado por nanoesferas de carbón.Figure 6. HRTEM image of a xerogel of carbon doped with Mo formed by carbon nanospheres.

Figura 7. Imagen de HRTEM de un xerogel de carbón dopado con Mo formado por nanofibras de carbón.Figure 7. HRTEM image of a xerogel of coal doped with Mo formed by carbon nanofibers.

Figura 8. Espectro de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) de un xerogel de carbón dopado con Mo (S13), sintetizado en ausencia de surfactantes que solo muestra la presencia de óxido de molibdeno.Figure 8. Spectroscopy spectrum X-ray photoelectronics (XPS) of a doped carbon xerogel with Mo (S13), synthesized in the absence of surfactants that only shows the presence of molybdenum oxide.

Figura 9. Espectro de XPS de un xerogel de carbón dopado con Mo, sintetizado en presencia de surfactante catiónico que muestra una mezcla de carburo y óxido de molibdeno.Figure 9. XPS spectrum of a xerogel of carbon doped with Mo, synthesized in the presence of surfactant cationic showing a mixture of carbide and oxide molybdenum.

Figura 10. Comparación de la actividad catalítica en la reacción de deshidratación del propanol a propeno de dos geles de carbón dopados S7 y S10 obtenidos según el método de la presente invención.Figure 10. Activity comparison catalytic reaction of propanol to propene dehydration of two doped carbon gels S7 and S10 obtained according to the method of The present invention.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

En un aspecto la invención se relaciona con un método para la preparación de un gel de carbón dopado con al menos un metal, que comprende la utilización de agua como disolvente, evitando así el uso de disolventes orgánicos y minimizando la formación de residuos. Dicho método en adelante método de la invención comprende las siguientes etapas:In one aspect the invention relates to a method for preparing a doped carbon gel with at least a metal, which comprises the use of water as a solvent, thus avoiding the use of organic solvents and minimizing the waste formation Said method hereinafter method of the The invention comprises the following steps:

(i)(i)
obtención de un hidrogel a partir de un compuesto fenólico (R), un surfactante (S) y un aldehído, (F)obtaining a hydrogel from a compound phenolic (R), a surfactant (S) and an aldehyde, (F)

(ii)(ii)
dopaje del hidrogel resultante de la etapa (i), con al menos un metal,doping of the hydrogel resulting from step (i), with at least one metal,

(iii)(iii)
curado del gel dopado resultante de la etapa (ii) ycuring of the doped gel resulting from step (ii) Y

(iv)(iv)
carbonizar el gel curado resultante de la etapa (iii).carbonize the cured gel resulting from the stage (iii).

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La obtención en primer lugar de un hidrogel comprende a su vez las etapas de:Obtaining a hydrogel first It also includes the stages of:

a)to)
preparar una solución acuosa que comprende un compuesto fenólico y al menos un surfactante;preparing an aqueous solution comprising a phenolic compound and at least one surfactant;

b)b)
calentar dicha solución acuosa;heating said aqueous solution;

c)C)
adicionar gota a gota un aldehído sobre la solución acuosa; yadd an aldehyde drop by drop over the solution watery; Y

d)d)
gelificación a temperatura constante hasta la obtención del hidrogel.constant temperature gelation until Obtaining the hydrogel.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

El surfactante útil para poner en práctica el método de la invención puede ser cualquier surfactante seleccionado del grupo formado por surfactantes aniónicos, catiónicos y no-iónicos. En una realización particular se utiliza un surfactante seleccionado del grupo formado por bromuro de hexadeciltrimetilamonio, dodecilbencensulfonato de sodio, y sorbitan monooleato de sodio. En una realización preferente se utiliza bromuro de hexadeciltrimetilamonio como surfactante catiónico (CTAB). En otra realización preferente se utiliza dodecilbencensulfonato de sodio (DCBS) como surfactante aniónico. En otra realización preferente se utiliza sorbitán monooleato (SPAN80), como surfactante no iónico. La concentración de surfactante puede variarse entre amplios márgenes. En una realización preferente la razón molar R/S es 2/1, independientemente de la naturaleza del surfactante.The surfactant useful to implement the method of the invention can be any selected surfactant of the group formed by anionic, cationic and non-ionic In a particular embodiment it is used a surfactant selected from the group consisting of bromide of hexadecyltrimethylammonium, sodium dodecylbenzenesulfonate, and sorbitan sodium monooleate In a preferred embodiment it is used hexadecyltrimethylammonium bromide as cationic surfactant (CTAB). In another preferred embodiment, it is used sodium dodecylbenzenesulfonate (DCBS) as an anionic surfactant. In Another preferred embodiment is sorbitan monooleate (SPAN80), as a nonionic surfactant. The surfactant concentration can vary between wide margins. In a preferred embodiment the R / S molar ratio is 2/1, regardless of the nature of the surfactant

Opcionalmente la obtención del hidrogel (etapa (i)) puede comprender el empleo de al menos un co-surfactante el cual se añade típicamente a la disolución acuosa preparada en a). Dicho co-surfactante puede añadirse en concentraciones variables. En una realización preferente se emplea como co-surfactante t-butanol o 1,3,5 trimetil benceno (TMB). La relación molar R/cosurfactante es en una realización particular 1/1 o 2/1.Optionally obtaining the hydrogel (stage (i)) may include the use of at least one co-surfactant which is typically added to the aqueous solution prepared in a). Saying co-surfactant can be added in concentrations variables In a preferred embodiment it is used as t-butanol co-surfactant or 1,3,5 trimethyl benzene (TMB). The R / cosurfactant molar ratio is in a particular embodiment 1/1 or 2/1.

En principio el método de la invención puede ponerse en práctica con cualquier compuesto fenólico. Por compuesto fenólico en el contexto de la invención debe entenderse un compuesto orgánico que comprende un anillo benceno con al menos un sustituyente -OH. En una realización particular el compuesto fenólico es por ejemplo, resorcinol, fenol o catecol. En una realización preferente es resorcinol. El método de la invención puede ponerse en práctica con cualquier aldehído. Por aldehído ha de entenderse en la presente invención cualquier compuesto orgánico que presenta una función aldehído. Preferentemente dicho aldehído no contiene funcionalidades que interfieran en las reacciones que tienen lugar en el método de la invención. En una realización particular el aldehído es formaldehído.In principle the method of the invention can put into practice with any phenolic compound. By compound phenolic in the context of the invention a compound should be understood organic comprising a benzene ring with at least one -OH substituent. In a particular embodiment the compound Phenolic is for example, resorcinol, phenol or catechol. In a Preferred embodiment is resorcinol. The method of the invention. It can be implemented with any aldehyde. By aldehyde has to understood in the present invention any organic compound that It has an aldehyde function. Preferably said aldehyde no contains functionalities that interfere with the reactions that they take place in the method of the invention. In one embodiment Particularly the aldehyde is formaldehyde.

La disolución acuosa obtenida en a) que comprende un compuesto fenólico, un surfactante y opcionalmente un co-surfactante, se calienta a continuación por encima de la temperatura ambiente. Típicamente se calienta a una temperatura comprendida entre 40ºC y 60ºC, preferentemente a 50ºC. La temperatura alcanzada se mantiene a continuación durante las subsiguientes etapas de adición del aldehído c), gelificación d) y dopaje (ii).The aqueous solution obtained in a) that it comprises a phenolic compound, a surfactant and optionally a co-surfactant, is then heated by above room temperature. Typically heated to a temperature between 40 ° C and 60 ° C, preferably at 50 ° C. The temperature reached is then maintained during the subsequent steps of adding aldehyde c), gelation d) and doping (ii).

A esta temperatura comprendida típicamente entre 40-60ºC la reacción de gelificación ocurre instantáneamente con la adición de cada gota de aldehído de modo que se observa la aparición de nuevo hidrogel en la suspensión tras la adición de cada nueva gota. La etapa de gelificación d) se completa cuando todo el aldehído añadido ha reaccionado. El tiempo de gelificación depende de la temperatura, de la concentración y relación molar de reactivos (compuesto fenólico, aldehído, surfactante, y opcionalmente co-surfactante). En una realización particular el tiempo de gelificación es de dos horas a temperatura entre 40-60ºC lo que asegura que todo el F añadido ha reaccionado. La gelificación se lleva a cabo bajo agitación.At this temperature typically between 40-60 ° C the gelation reaction occurs instantly with the addition of each drop of aldehyde so that the appearance of new hydrogel in the suspension is observed after Addition of each new drop. The gelation stage d) is completed when all the added aldehyde has reacted. The time of gelation depends on temperature, concentration and molar ratio of reagents (phenolic compound, aldehyde, surfactant, and optionally co-surfactant). In a particular embodiment the gelation time is two hours at temperature between 40-60ºC which ensures that all the F added has reacted. The gelation is carried out under agitation.

Los agregados compuesto fenólico-aldehído (RF) del hidrogel se forman in situ, evitando el proceso de redispersión en disolventes orgánicos usado por Tonanon (Carbon 41 (2003) p. 2981-2990) y otros. La estructura del hidrogel orgánico se define en la etapa d) de gelificación y es función de las condiciones experimentales particulares en cada caso. Dicha estructura es homogénea y puede ser una microestructura, nanoestructura o ser amorfa. En ocasiones fracciones de material amorfo pueden aparecer junto al material estructurado.The phenolic compound aldehyde (RF) aggregates of the hydrogel are formed in situ , avoiding the redispersion process in organic solvents used by Tonanon (Carbon 41 (2003) p. 2981-2990) and others. The structure of the organic hydrogel is defined in step d) of gelation and is a function of the particular experimental conditions in each case. Said structure is homogeneous and can be a microstructure, nanostructure or be amorphous. Sometimes fractions of amorphous material may appear next to the structured material.

Las razones molares de los reactivos (compuesto fenólico, aldehído, surfactante) se mantienen constantes durante el método de preparación. En una realización particular la relación molar R/F es ½, la relación molar R/S es 2/1 y la concentración de reactivos es del 10% en peso.Molar ratios of reagents (compound phenolic, aldehyde, surfactant) remain constant during the Preparation method. In a particular embodiment the relationship R / F molar is ½, the R / S molar ratio is 2/1 and the concentration of Reagents is 10% by weight.

La etapa (ii) de dopaje se lleva a cabo utilizando un precursor del metal con el que se quiere dopar el gel. En una realización particular la etapa (ii) de dopaje se lleva a cabo adicionando al hidrogel resultante de la etapa (¡i) gota a gota una disolución saturada de precursor de metal. Durante esta etapa típicamente el gel se mantiene bajo agitación y a la temperatura arriba indicada de entre 40-60ºC durante un tiempo variable. En general el tiempo de dopaje es de una hora después de la adición.The doping stage (ii) is carried out using a metal precursor with which you want to dop the gel. In a particular embodiment step (ii) of doping is carried to after adding the hydrogel resulting from step (i) drop by drop a saturated metal precursor solution. During this stage typically the gel is kept under stirring and at the temperature above indicated between 40-60ºC for a while variable. In general, the doping time is one hour after the addition.

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El método de la invención se basa en que una vez que el hidrogel está morfológicamente definido, y antes de completar su curación, esto es, antes de que adquiera demasiada rigidez y se pierdan sitios de anclaje, se añade la disolución del precursor de metal. De esta manera el hidrogel presenta una superficie que está compuesta por especies cargadas procedentes de la macromolécula RFS generada, y por tanto las especies metálicas son incorporadas fácilmente a dicha superficie desde la disolución. A diferencia de otros métodos en el estado de la técnica las especies metálicas no quedan atrapadas en el interior de la matriz del polímero generando partículas embutidas puesto que la gelificación ya se ha completado previamente, aunque no el curado. La fase metálica que se genera queda exclusivamente en superficie formando al final del método de la invención una alta dispersión de nanopartículas metálicas.The method of the invention is based on the fact that once that the hydrogel is morphologically defined, and before completing its healing, that is, before it acquires too much rigidity and it lose anchor sites, the precursor solution of is added metal. In this way the hydrogel has a surface that is composed of charged species from the RFS macromolecule generated, and therefore the metallic species are incorporated easily to said surface from dissolution. Unlike other methods in the state of the art metallic species not they get trapped inside the polymer matrix generating embedded particles since gelation has already been completed previously, although not the cure. The metallic phase that is generated it is exclusively on the surface forming at the end of the method of the invention a high dispersion of metal nanoparticles.

El precursor del metal puede ser cualquier sal de cualquier metal convencional tales como por ejemplo nitratos, sulfatos, acetatos, nitritos, sulfitos, cloruros, fluoruros, sulfuras, yoduros, etc, con metales en distinto estado de oxidación, así como mezclas de los mismos. En particular se utiliza una sal de cualquier metal catalíticamente activo, tales como Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Mo, etc, que se selecciona en función de la reacción que se vaya a querer posteriormente catalizar. En una realización particular el metal es Mo.The metal precursor can be any salt of any conventional metal such as for example nitrates, sulfates, acetates, nitrites, sulphites, chlorides, fluorides, sulphides, iodides, etc., with metals in different oxidation states, as well as mixtures thereof. In particular a salt of any catalytically active metal, such as Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Mo, etc, which is selected based on the reaction that goes to later want to catalyze. In a particular embodiment the metal is Mo.

El empleo de un surfactante en la obtención del hidrogel forma agregados moleculares compuesto fenólico-aldehído-surfactante (RFS) con una carga que dependerá de la naturaleza del surfactante. Igualmente el metal en forma de sal, que se trata de una especie cargada (catiónica o aniónica), será pues atraída o repelida por el hidrogel dependiendo de las condiciones experimentales y de la naturaleza del RFS del gel. En este sentido el método de la invención favorece el establecimiento de interacciones electrostáticas entre los grupos funcionales de los núcleos de gel que van polimerizando y las especies del metal en disolución.The use of a surfactant in obtaining the hydrogel forms molecular aggregates compound phenolic-aldehyde-surfactant (RFS) with a load that will depend on the nature of the surfactant. Also the metal in the form of salt, which is a species charged (cationic or anionic), will then be attracted or repelled by the hydrogel depending on the experimental conditions and the nature of the RFS of the gel. In this sense the method of invention favors the establishment of interactions electrostatic between the functional groups of the gel cores that are polymerizing and the species of the metal in solution.

Las interacciones que presentan los metales con la superficie del hidrogel son distintas en función de la composición original de las disoluciones (tipos y concentración del compuesto fenólico, del aldehído, surfactante/s, co-surfactante/s, pH, etc.) de forma que las partículas metálicas se transforman en distintas especies químicas durante las etapas restantes del método de la invención.The interactions that metals present with the surface of the hydrogel are different depending on the original composition of the solutions (types and concentration of phenolic compound, aldehyde, surfactant / s, co-surfactant / s, pH, etc.) so that the metal particles are transformed into different chemical species during the remaining steps of the method of the invention.

La etapa (iii) de curado del gel dopado se lleva a cabo a una temperatura superior a la de gelificación de entre 40-60ºC En una realización particular se realiza a una temperatura comprendida entre 80 y 90ºC. El curado se lleva a cabo generalmente bajo agitación. El tiempo de curado es variable, aunque 24 h son suficientes en general completar el curado. Mediante el curado tiene lugar el entrecruzamiento del polímero.The step (iii) of curing the doped gel is carried carried out at a temperature higher than gelation between 40-60 ° C In a particular embodiment it is performed at a temperature between 80 and 90 ° C. Curing takes out generally under agitation. The cure time is variable, although 24 hours are sufficient in general to complete the cure. Through curing takes place the crosslinking of the polymer.

El método de la invención se lleva a cabo controlando el pH, la concentración de reactivos y la velocidad de agitación. El pH de la puede variar entre amplios márgenes. En una realización particular está en torno a 5.5. Valores superiores de pH de 7.5-9.5 se obtienen por adición de NaOH a la solución acuosa.The method of the invention is carried out. controlling the pH, reagent concentration and the speed of agitation. The pH of the can vary between wide ranges. In a particular realization is around 5.5. Higher pH values 7.5-9.5 are obtained by adding NaOH to the aqueous solution.

A continuación el gel curado obtenido se filtra, se seca y se carboniza.Then the cured gel obtained is filtered, It is dried and charred.

El secado puede hacerse según tratamientos distintos dando lugar a un xerogel, un aerogel o un criogel: En una realización particular se obtiene un aerogel por secado supercrítico con CO_{2}. Para ello el gel resultante de la etapa (iii) se filtra y a continuación se suspende rápidamente en acetona para producir un intercambio iónico agua-acetona, ya que el agua no es soluble en CO_{2} líquido. El intercambio se lleva a cabo durante un tiempo variable, generalmente de 48 h con renovación del disolvente cada 12 h, y finalmente el gel filtrado se seca en CO_{2} supercrítico.Drying can be done according to treatments different giving rise to a xerogel, an airgel or a cryogel: In a particular embodiment an airgel is obtained by supercritical drying with CO 2. For this, the gel resulting from step (iii) is filtered and then quickly suspended in acetone to produce a water-acetone ion exchange, since Water is not soluble in liquid CO2. The exchange takes out for a variable time, usually 48 hours with renewal of the solvent every 12 h, and finally the filtered gel is dried in Supercritical CO 2.

Los xerogeles pueden obtenerse directamente por secado en estufa, preferentemente mediante un secado primero a baja temperatura (por ejemplo 12 h a 50ºC) seguido de otro secado durante por ejemplo 24 h a 110ºC.Xerogels can be obtained directly by oven drying, preferably by first low drying temperature (for example 12 h at 50 ° C) followed by another drying during for example 24 h at 110 ° C.

Los criogeles se obtienen mediante cualquier técnica criogénica convencional.The cryogels are obtained by any conventional cryogenic technique.

Una vez seco el xerogel, el aerogel, o el criogel obtenido se carboniza para rendir el gel de carbón dopado de la invención. La etapa (iv) de carbonización se hace en atmósfera inerte y bajo condiciones variables en cuanto a la temperatura final, el gradiente de temperatura, el tiempo, etc. En una realización particular se lleva a cabo en flujo de N_{2}. En atmósfera inerte, a mayor temperatura y mayor tiempo de carbonización se obtienen progresivamente fases metálicas más reducidas (óxidos en menor estado de oxidación) y finalmente se forman metales en estado de oxidación cero o incluso llegan a ocurrir reacciones con el carbón formando carburos metálicos.Once dry the xerogel, the airgel, or the obtained cryogel is carbonized to yield the doped carbon gel of the invention. The carbonization stage (iv) is done in an atmosphere inert and under variable temperature conditions final, temperature gradient, time, etc. In a particular embodiment is carried out in flow of N2. In inert atmosphere, at higher temperatures and longer carbonization progressively obtain more metallic phases reduced (oxides in a lower oxidation state) and finally they form metals in a state of zero oxidation or even reach occur reactions with carbon forming metal carbides.

En una realización particular la temperatura de carbonización está comprendida entre 400ºC y 900ºC. En otra realización particular la carbonización se realiza en corriente de N_{2} (preferentemente a 100 cc/min) usando una rampa de calentamiento lenta de entre 1 y 2ºC/min, hasta una temperatura dada, preferentemente 900ºC. El alcanzar una temperatura elevada en esta etapa permite que el gel de carbón dopado de la invención sea estable hasta esta temperatura en cualquier aplicación catalítica posterior. En otra realización particular la temperatura de carbonización se mantiene durante 5 h. El gel de carbón dopado resultante se enfría lentamente en el mismo flujo de N_{2}.In a particular embodiment the temperature of Carbonization is between 400ºC and 900ºC. In other particular embodiment the carbonization is performed in current of N2 (preferably at 100 cc / min) using a ramp of slow heating between 1 and 2ºC / min, up to a temperature given, preferably 900 ° C. Reaching a high temperature in This step allows the doped carbon gel of the invention to be stable up to this temperature in any catalytic application later. In another particular embodiment the temperature of Carbonization is maintained for 5 h. The doped carbon gel The resulting result is slowly cooled in the same flow of N2.

El método de la invención presenta numerosas ventajas. En este sentido permite:The method of the invention has numerous advantages. In this sense it allows:

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Ajustar la morfología de las partículas del gel a formas avanzadas como nanofibras, nanoesferas, microesferas, forma amorfa.Adjust particle morphology from the gel to advanced forms such as nanofibers, nanospheres, microspheres, amorphous form.

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Ajustar la porosidad de los geles, es decir, la micro-, meso- y macroporosidad.Adjust the porosity of the gels, it is say, micro-, meso- and macroporosity.

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Ajustar la química superficial de los geles variando los reactivos y surfactante (introducción de monómeros con heteroátomos).Adjust the surface chemistry of gels varying reagents and surfactant (introduction of monomers with heteroatoms).

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Evitar la formación de partículas metálicas atrapadas en el interior de la matriz orgánica y/o la precipitación de la fase metálica antes de la gelificación.Avoid the formation of metallic particles trapped inside the organic matrix and / or precipitation of the metal phase before the gelation

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Obtener altas cargas de metal distribuidas homogéneamente en la superficie del soporte formando nanopartículas de naturaleza química definida y con alta resistencia a la sinterización.Get high metal loads homogeneously distributed on the surface of the support forming nanoparticles of defined chemical nature and with high resistance to sintering.

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Obtener catalizadores activos, selectivos y estables, en base a las propiedades anteriores.Get active catalysts, selective and stable, based on the properties previous.

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Se mejora la dispersión y resistencia a la sinterización de la fase metálica dispersa sobre el gel orgánico, de forma que se mejora el rendimiento de los geles de carbón dopados en aplicaciones muy variadas dentro de la catálisis heterogénea: energía, medio ambiente, industria farmacéutica, síntesis de compuestos como herbicidas, fitosanitarios, etc., tanto desde el punto de vista de su actividad y selectividad, como de la estabilidad del catalizador.Be improves dispersion and resistance to sintering phase metallic dispersed on the organic gel, so that the performance of doped carbon gels in very applications varied within heterogeneous catalysis: energy, medium environment, pharmaceutical industry, synthesis of compounds such as herbicides, phytosanitary, etc., both from the point of view of its activity and selectivity, as of the stability of the catalyst.

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En otro aspecto la invención se refiere al gel de carbón dopado con al menos un metal obtenido mediante el método de la presente invención, en adelante gel de carbón dopado de la invención.In another aspect the invention relates to the gel of carbon doped with at least one metal obtained by the method of the present invention, hereinafter doped carbon gel of the invention.

Los geles de carbón dopados de la invención se pueden caracterizar por diversos métodos.The doped carbon gels of the invention are They can characterize by various methods.

Los inventores de la presente invención han caracterizado química y texturalmente geles de carbón dopados según la presente invención por aplicación de las técnicas convencionales. La textura porosa se ha analizado mediante adsorción física de gases (CO_{2} a 273 K y N_{2} a 77 K) y calorimetría de inmersión en benceno, estas técnicas permiten analizar distintos rangos de porosidad (micro-mesoporos) así como determinar los valores de las superficies externa e interna de los materiales.The inventors of the present invention have Chemically and texturally characterized carbon gels doped according to the present invention by application of conventional techniques. The porous texture has been analyzed by physical adsorption of gases (CO 2 at 273 K and N 2 at 77 K) and immersion calorimetry in Benzene, these techniques allow you to analyze different ranges of porosity (micro-mesopores) as well as determining the values of the external and internal surfaces of the materials.

La estructura química del polímero orgánico y de los geles de carbón se ha determinado también por diversas técnicas, termogravimetría (TG), difracción de rayos x (DRX), Espectroscopia de infrarrojos con transformadas de Furrier (FTIR) o espectroscopia fotoelectrónica de rayos x (XPS). Estas técnicas permiten analizar las variaciones sufridas por los geles dopados durante la etapa (iv) de carbonización, así como estudiar el estado químico de los metales y del soporte de los geles de carbón dopados de la invención.The chemical structure of the organic polymer and of Carbon gels have also been determined by various techniques, thermogravimetry (TG), x-ray diffraction (DRX), Spectroscopy infrared with Furrier transforms (FTIR) or spectroscopy X-ray photoelectronics (XPS). These techniques allow to analyze the variations suffered by the doped gels during stage (iv) of carbonization, as well as studying the chemical state of metals and of the support of the doped carbon gels of the invention.

La morfología de los geles se estudia mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), mientras que la dispersión, tamaño de partícula y estructura cristalina se analiza por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y DRX.The morphology of the gels is studied by scanning electron microscopy (SEM), while the dispersion, particle size and crystal structure is analyzed by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and DRX.

En un aspecto adicional la invención se refiere al empleo del gel de carbón dopado de la invención como catalizador heterogéneo. El método de la invención mejora la dispersión y resistencia a la sinterización de la fase metálica dispersa sobre el gel orgánico del gel de carbón dopado de la invención, de forma que se mejora su rendimiento en cualquiera de sus posibles y variadas aplicaciones dentro de la catálisis heterogénea: energía, medio ambiente, industria farmacéutica, síntesis de compuestos como herbicidas, fitosanitarios, etc., tanto desde el punto de vista de su actividad y selectividad, como de su estabilidad.In a further aspect the invention relates to the use of the doped carbon gel of the invention as a catalyst heterogeneous. The method of the invention improves dispersion and sintering resistance of the metal phase dispersed on the organic gel of the doped carbon gel of the invention, so that its performance is improved in any of its possible and varied applications within heterogeneous catalysis: energy, medium environment, pharmaceutical industry, synthesis of compounds such as herbicides, phytosanitary, etc., both from the point of view of its activity and selectivity, as of its stability.

A modo ilustrativo los inventores han estudiado la reacción de descomposición de isopropanol a propeno, utilizando geles de carbón dopados según la presente invención. Esta reacción es en sí misma una reacción test para caracterizar la acidez de los catalizadores, pero, además en este caso se genera un producto como es el propeno de alta demanda por ejemplo para la fabricación de plásticos.By way of illustration the inventors have studied the isopropanol to propene decomposition reaction, using doped carbon gels according to the present invention. This reaction It is in itself a test reaction to characterize the acidity of the catalysts, but in this case a product like it is the propene of high demand for example for the manufacture of plastics

De acuerdo con el método de la invención la morfología y química superficial del gel se define antes de la adición del precursor del metal, por lo que se pueden ajustar en función del tipo y concentración de monómeros (compuesto fenólico (R) y aldehído (F)) y surfactantes (S). Puesto que la polimerización del R y F ocurre en la disolución que contiene las micelas del surfactante, se evita la redispersión usada por otros métodos de síntesis como se ha mencionado anteriormente. Al definir la morfología, la meso y macroporosidad asociada al espacio entre partículas en este tipo de geles puede ser de esta forma controlada. La porosidad dependerá también del proceso de secado y carbonización, donde se genera la microporosidad por la salida de los gases de pirólisis. Durante la síntesis, la superficie del hidrogel que se va formado, estará constituida por diversas funciones químicas en la macromolécula del hidrogel RFS que atraen al metal de la disolución y lo fijan a la superficie de la partícula de hidrogel. De esta manera se obtiene una alta dispersión de nanopartículas metálica sobre las nanoestructuras del hidrogel previamente definidas.According to the method of the invention the Gel morphology and surface chemistry is defined before the metal precursor addition, so they can be adjusted in function of the type and concentration of monomers (phenolic compound (R) and aldehyde (F)) and surfactants (S). Since the polymerization of R and F occurs in the solution that contains the micelles of surfactant, redispersion used by other methods of synthesis as mentioned above. When defining the morphology, meso and macroporosity associated with the space between Particles in this type of gels can be controlled in this way. Porosity will also depend on the drying process and carbonization, where microporosity is generated by the output of Pyrolysis gases. During the synthesis, the surface of the hydrogel that is formed, will consist of several chemical functions in the RFS hydrogel macromolecule that attract to the solution metal and fix it to the surface of the particle Hydrogel In this way a high dispersion of metallic nanoparticles on the hydrogel nanostructures previously defined.

Los inventores han comprobado que en ausencia de surfactantes y co-surfactantes (muestra S13), el gel de carbón con Mo dopado obtenido presenta una superficie de microporos de 173 m^{2}/g y no se detectó capacidad alguna de adsorber N_{2}. Esto indica un carácter exclusivamente microporoso del gel de carbón, donde los microporos son tan estrechos que presentan restricciones difusionales. Morfológicamente, este gel está compuesto por microesferas (Figura 2). Aunque además se observan tanto por HRTEM como por XPS una alta concentración de Mo superficial, se observa que junto a las nanopartículas depositadas sobre la superficie de las microesferas, hay ciertas partículas de forma acicular de carácter metálico. En ausencia de surfactante se produce pues una baja interacción del gel-metal, posiblemente como consecuencia de una menor concentración de especies afines en superficie y a la baja superficie (porosidad) de estas microesferas. Esto conlleva a la formación de partículas metálicas de gran tamaño, que aparecen independientes (segregadas) del soporte y que conllevan a la pérdida de actividad por su crecimiento cristalino. La DRX y el análisis de XPS confirman que el Mo en este caso permanece 100% en estado de óxido (Figura 8).The inventors have verified that in the absence of surfactants and co-surfactants (sample S13), the gel of coal with doped Mo obtained has an area of micropores of 173 m2 / g and no ability to detect adsorb N2. This indicates an exclusively microporous character. of the carbon gel, where the micropores are so narrow that they present diffusional restrictions. Morphologically, this gel It is composed of microspheres (Figure 2). Although also they observe a high concentration of Mo both by HRTEM and XPS superficial, it is observed that next to the deposited nanoparticles on the surface of the microspheres, there are certain particles of acicular form of metallic character. In the absence of surfactant, thus produces a low gel-metal interaction, possibly as a result of a lower concentration of related species at the surface and at the low surface (porosity) of These microspheres. This leads to particle formation large metal ones, which appear independent (segregated) of support and that lead to loss of activity due to crystal growth The DRX and the XPS analysis confirm that the Mo in this case remains 100% in the oxide state (Figure 8).

En presencia de un surfactante la porosidad y superficie de un xerogel de carbón según la invención aumenta, debido a que la descomposición del surfactante de la estructura orgánica durante la carbonización favorece la formación de poros. La combinación de los parámetros de síntesis (surfactantes, co-surfactantes, pH, etc.) permite obtener distintas morfologías, desde microesferas (tales como las mostradas en la Figura 2), nanofibras (Figura 3), nanoesferas (Figura 4), o materiales amorfos. En cualquiera de los casos (Figuras 5-7), se observa un recubierto homogéneo de metal con una alta concentración de nanopartículas metálicas y sin grandes cristales segregados. Todos ellos están dopados con Mo y fueron carbonizados a 900ºC, es decir, a muy alta temperatura. Aún así, se observa una alta dispersión de nanopartículas (el tamaño de partícula es muy pequeño y no sinterizan incluso después de un tratamiento térmico a 900ºC). No puede haber partículas metálicas embutidas puesto que éstas se forman después de la formación de la nanoestructura del hidrogel orgánico. En ningún caso, se observan grandes partículas metálicas segregadas, como anteriormente, de hecho, no se obtuvieron picos de DRX en estas muestras, indicando que las partículas metálicas son menores de los 4 nm, como consecuencia de que el metal está fuertemente anclado a la estructura del hidrogel, lo que dificulta su movilidad durante el calentamiento.In the presence of a surfactant the porosity and surface of a carbon xerogel according to the invention increases, because the decomposition of the structure surfactant Organic during carbonization favors the formation of pores. The combination of synthesis parameters (surfactants, co-surfactants, pH, etc.) allows to obtain different morphologies, from microspheres (such as those shown in the Figure 2), nanofibers (Figure 3), nanospheres (Figure 4), or amorphous materials. In any case (Figures 5-7), a homogeneous metal coating is observed with a high concentration of metal nanoparticles and without large segregated crystals. They are all doped with Mo and they were carbonized at 900 ° C, that is, at a very high temperature. Still, I know observes a high dispersion of nanoparticles (the size of particle is very small and does not sinter even after a heat treatment at 900 ° C). There can be no metal particles sausages since these are formed after the formation of the Nanostructure of the organic hydrogel. In any case, they are observed large segregated metal particles, as before, of In fact, no DRX peaks were obtained in these samples, indicating that the metal particles are less than 4 nm, as consequence of the metal being strongly anchored to the hydrogel structure, which hinders its mobility during heating.

La concentración superficial de metal y naturaleza química de las nanopartículas metálicas se ha estudiado mediante análisis elemental, XPS y DRX. Las partículas metálicas que se forman por descomposición de la sal precursora durante la carbonización, son reducidas, primero a óxidos, progresivamente de menor estado de oxidación, después a metales en estado de oxidación cero, llegando incluso a la formación de carburos metálicos.The surface concentration of metal and Chemical nature of metal nanoparticles has been studied by elementary analysis, XPS and DRX. Metal particles that they are formed by decomposition of the precursor salt during carbonization, are reduced, first to oxides, progressively from lower oxidation state, then to oxidation metals zero, even reaching the formation of metal carbides.

En trabajos previos [Applied Catalysis A: General 183 (1999) 345-356], se pone de manifiesto que al dopar con Cr, Mo, W a una carga total del 2.7% de metal en el gel de carbón, solo el W generaba un 5% del metal en forma de carburo (CW) al carbonizar a 1000ºC. En el caso del aerogel dopado con Mo y carbonizado a 1000ºC, presentó una carga superficial de Mo (determinada por XPS) del 3.2%, estando compuesto por una mezcla de óxidos de Mo (VI), (IV) y (III). Se forzó la formación de Mo_{2}C dado su importancia en determinados procesos industriales de hidrodesulfuración por tratamiento a alta temperatura en mezcla H_{2}/Ar y tras dicho tratamiento se forma entorno al 30% de Mo_{2}C sin modificar la cantidad de Mo superficial [Carbon 41 (2003) 1291-1299].In previous work [Applied Catalysis A: General 183 (1999) 345-356], is revealed than by doping with Cr, Mo, W at a total charge of 2.7% metal in the carbon gel, only the W generated 5% of the metal in the form of carbide (CW) when carbonized at 1000 ° C. In the case of the doped airgel with Mo and carbonized at 1000 ° C, it presented a surface charge of Mo (determined by XPS) of 3.2%, being composed of a mixture of oxides of Mo (VI), (IV) and (III). The formation of Mo_ {C} was forced given its importance in certain industrial processes of hydrodesulfurization by high temperature treatment in mixture H 2 / Ar and after such treatment is formed around 30% of Mo_ {C} C without modifying the amount of surface Mo [Carbon 41 (2003) 1291-1299].

El análisis por XPS y DRX de las series de muestras obtenidas por este nuevo método de la invención permite concluir que: a) se obtienen concentraciones superficiales muy altas (como ya se había observado por TEM, Figuras 5-7) y que se favorece la formación de carburos metálicos directamente durante la carbonización. Esto evita largos y peligrosos tratamientos en H_{2} y alta temperatura en el caso de tener que sintetizar dichas formas químicas.The analysis by XPS and DRX of the series of samples obtained by this new method of the invention allows conclude that: a) very high surface concentrations are obtained (as already observed by TEM, Figures 5-7) and which favors the formation of metal carbides directly during carbonization. This avoids long and dangerous treatments in H2 and high temperature in the case of having to synthesize these chemical forms.

Por ejemplo, un xerogel de carbón dopado con Mo (S7), con carga de metal similar a la anteriormente descrita (entorno al 3% total), sintetizado en presencia de un surfactante catiónico para obtener nanofibras dopadas con Mo y carbonizado a 900ºC, presentó una composición superficial de Mo del 22.4%, de los cuales, el 63% está en forma de carburo, y el 37% restante como óxido, como se puso de manifiesto mediante análisis de XPS (Figura 9).For example, a coal xerogel doped with Mo (S7), with metal loading similar to the one described above (around 3% total), synthesized in the presence of a surfactant cationic to obtain nanofibers doped with Mo and carbonized to 900 ° C, presented a surface composition of Mo of 22.4%, of the which, 63% is in the form of carbide, and the remaining 37% as oxide, as evidenced by XPS analysis (Figure 9).

Se observa pues, que al estar el metal exclusivamente sobre la superficie del gel, la concentración superficial aumenta en torno a las 10 veces respecto a métodos conocidos, donde si bien, se consiguen altas dispersiones y una distribución homogénea del metal en el total de la estructura del hidrogel, la mayor parte de éste no aparece en superficie, donde es activo en reacción. Similarmente, las distintas interacciones metal-hidrogel RFS, inducen también un alto grado de carburización, incluso mayor que el obtenido anteriormente tras el tratamiento en H_{2}.It is observed, then, that being the metal exclusively on the gel surface, the concentration Superficial increases around 10 times compared to methods known, where although high dispersions are achieved and a homogeneous distribution of the metal in the total structure of the hydrogel, most of it does not appear on the surface, where it is active in reaction. Similarly, the different interactions metal-hydrogel RFS, also induce a high degree of carburization, even greater than that obtained previously after H2 treatment.

En ausencia de surfactantes, el metal se presentó 100% como óxido.In the absence of surfactants, the metal is It presented 100% as oxide.

Los inventores han estudiado asimismo la influencia de la naturaleza del surfactante. Se realizaron ejemplos comparativos en los que la concentración molar de surfactante fue la misma, el pH está alrededor de 5.5 y se usó preferentemente, TMB y t-BOH como co-surfactantes. La carga metálica obtenida sobre la superficie de los xerogeles dopados con Mo, y la especie química que forman, varió enormemente con el tipo de surfactante, como se muestra en la siguiente tabla.The inventors have also studied the influence of the nature of the surfactant. Examples were made comparatives in which the molar concentration of surfactant was the same, the pH is around 5.5 and preferably, TMB and t-BOH as co-surfactants. Load metal obtained on the surface of the doped xerogels with Mo, and the chemical species they form, varied greatly with the type of surfactant, as shown in the following table.

1one

Se observa que el surfactante catiónico favorece en mayor medida la fijación de las especies de Mo en disolución, así como, su transformación en carburo. Esto es debido a que la sal precursora usada en este caso fue el heptamolibdato amónico, de forma que los aniones Mo_{7}O_{24}^{-6} son más atraídos por la presencia de especies catiónicas en la superficie. La concentración de Mo cuando la síntesis se lleva a cabo en presencia de surfactante aniónico es la más baja de la serie, probablemente como consecuencia de repulsiones, además, no se observó la formación del carburo. El comportamiento del xerogel sintetizado en presencia de surfactantes no iónicos es intermedio entre el catiónico y aniónico, tanto en su capacidad de fijar el metal como en las especies químicas que se forman. El tipo de interacciones, y consecuentemente, tanto la carga del metal como su estado químico final, dependen de la naturaleza del surfactante y su capacidad de formar agregados RFS.It is observed that the cationic surfactant favors to a greater extent the fixation of the Mo species in solution as well as, its transformation into carbide. This is because the salt precursor used in this case was ammonium heptamolybdate, of so that the anions Mo_ {O} {24} <-6} are more attracted to the presence of cationic species on the surface. The Mo concentration when synthesis is carried out in the presence of anionic surfactant is the lowest in the series, probably as a consequence of repulsions, in addition, the formation was not observed of carbide. The behavior of the xerogel synthesized in the presence of nonionic surfactants is intermediate between the cationic and anionic, both in its ability to fix the metal and in the chemical species that form. The type of interactions, and consequently, both the charge of the metal and its chemical state In the end, they depend on the nature of the surfactant and its ability to form RFS aggregates.

Los inventores han estudiado la influencia del pH del hidrogel en la carga y forma química del Mo final que se resume en la siguiente tabla:The inventors have studied the influence of Hydrogel pH at the charge and chemical form of the final Mo that Summarized in the following table:

22

En este caso, las interacciones atractivas son óptimas a pH alrededor del neutro favoreciendo simultáneamente la carburización del Mo.In this case, the attractive interactions are optimal at pH around the neutral while simultaneously favoring carburization of Mo.

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Ejemplos Examples

Se muestran a continuación ejemplos de síntesis y características de dos xerogeles dopados con Mo según la invención en condiciones experimentales idénticas, en las que sólo varía ligeramente la composición de disolución inicial. Se eligen estas dos muestras, entre las muchas sintetizadas, para mostrar la importancia de un control estricto de las condiciones de síntesis. Pequeñas variaciones en composición, pH, temperatura, agitación, etc, puede conllevar a cambios significativos en las propiedades de las muestras. Así pues, las muestras seleccionadas se prepararon llevando a cabo un estricto control de las mismas, en las condiciones y orden descritos anteriormente, usando las relaciones molares:Synthesis examples are shown below. and characteristics of two xerogels doped with Mo according to the invention under identical experimental conditions, in which it only varies slightly the initial dissolution composition. These are chosen two samples, among the many synthesized ones, to show the importance of strict control of synthesis conditions. Small variations in composition, pH, temperature, stirring, etc., can lead to significant changes in the properties of the samples. Thus, the selected samples were prepared carrying out a strict control of them, in the conditions and order described above, using the relationships molars:

33

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

La porosidad y superficie de los xerogeles de carbón obtenidos fueron:The porosity and surface of the xerogels of Carbon obtained were:

44

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Ambos xerogeles son eminentemente microporosos. La microporosidad es similar así como sus valores de superficie. La diferencia entre Smic y SBET indica restricciones difusionales al interior de dicha microporosidad. Nótese no obstante, que la presencia del surfactante en la mezcla de síntesis conlleva a un aumento significativo de la superficie del hidrogel respecto a la muestra sintetizada como blanco (Smic =173 m^{2}/g). En ambos casos, los valores de superficie son similares porque también lo es el tipo y concentración de surfactante.Both xerogeles are eminently microporous. The microporosity is similar as well as its surface values. The difference between Smic and SBET indicates diffusional restrictions on inside of said microporosity. Note however, that the Presence of the surfactant in the synthesis mixture leads to a significant increase in the surface of the hydrogel with respect to the sample synthesized as blank (Smic = 173 m2 / g). In both cases, the surface values are similar because it is also the type and concentration of surfactant.

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Morfología Morphology

La morfología de las partículas del hidrogel sufre una importante transformación por el pequeño cambio de la composición inicial del sistema. El tipo de partícula es independiente al metal, pues se forma antes de la presencia de éste, y se debe, en este caso, a la presencia o no del TMB, que es la única variable de síntesis entre ambas muestras. En ausencia de TMB se obtienen nanoesferas (Figuras 4 y 6), en presencia de TMB, nanofibras (Figuras 3 y 7).The morphology of hydrogel particles undergoes an important transformation due to the small change in initial composition of the system. The type of particle is independent of metal, since it is formed before its presence, and is due, in this case, to the presence or not of the TMB, which is the only synthesis variable between both samples. In the absence of TMB nanospheres are obtained (Figures 4 and 6), in the presence of TMB, nanofibers (Figures 3 and 7).

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Dispersión metálica: formación de nanopartículas superficialesMetallic dispersion: nanoparticle formation superficial

55

En ambos casos se obtiene un alto grado de dispersión superficial, nótese que la concentración de Mo sobre el total de reactivos es del 1% peso (en tomo al 3% en el xerogel de carbón final), mientras que el XPS muestra concentraciones de Mo alrededor del 25% en peso. En ambos casos se obtiene también un alto grado de carburización al carbonizar a 900ºC. Estos grados de carburización se podrán ajustar disminuyendo/aumentando la temperatura o el tiempo de tratamiento, durante la carbonización.In both cases a high degree of surface dispersion, note that the concentration of Mo on the Total reagents is 1% weight (in volume at 3% in the xerogel of final carbon), while the XPS shows concentrations of Mo around 25% by weight. In both cases a high is also obtained degree of carbonization when carbonized at 900 ° C. These grades of carburization may be adjusted by decreasing / increasing the temperature or treatment time, during carbonization.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Aplicaciones Applications

La actividad de los catalizadores obtenidos por este método dependerá del metal depositado, de su forma química y dispersión. Para probar la actividad catalítica de estos geles se ha comprobado su eficiencia en la transformación de propanol en propeno. Los catalizadores funcionan en esta reacción en base a su acidez. En este caso, dicho parámetro está ligado a la concentración superficial de óxido, así, la actividad es mayor en el caso del S10 que en el S7 (Figura 10), de acuerdo con los resultados mostrados previamente. Con ambos catalizadores, se obtiene selectivamente propeno, aumentando la conversión al aumentar la temperatura. Por el contrario, al aumentar el contenido en C_{2}Mo se espera una mayor eficiencia en reacciones tipo hidrodesulfuración (no probada aquí). La deposición de otros metales abre el camino de aplicaciones electrocatalíticas, reacciones medioambientales, energéticas, etc.The activity of the catalysts obtained by This method will depend on the deposited metal, its chemical form and dispersion. To test the catalytic activity of these gels has been proven its efficiency in the transformation of propanol in propene The catalysts work in this reaction based on their acidity. In this case, said parameter is linked to the concentration surface oxide, thus, the activity is higher in the case of S10 than in S7 (Figure 10), according to the results shown previously. With both catalysts, it is obtained selectively propene, increasing the conversion as the temperature increases. For him on the contrary, increasing the content in C_ {2} Mo is expected to increase Efficiency in hydrodesulfurization reactions (not tested here). The deposition of other metals opens the way for applications electrocatalytic, environmental, energy reactions, etc.

Claims (16)

1. Método de síntesis de un gel de carbón dopado con al menos un metal, que comprende las siguientes etapas:1. Method of synthesis of a doped carbon gel with at least one metal, which comprises the following stages:
(i)(i)
la obtención de un hidrogel a partir de un compuesto fenólico, un surfactante y un aldehído,obtaining a hydrogel from a compound phenolic, a surfactant and an aldehyde,
(ii)(ii)
dopaje del hidrogel resultante de la etapa (i), con al menos un metal,doping of the hydrogel resulting from step (i), with at least one metal,
(iii)(iii)
curado del gel dopado resultante de la etapa (ii) ycuring of the doped gel resulting from step (ii) Y
(iv)(iv)
carbonizar el gel curado resultante de la etapa (iii).carbonize the cured gel resulting from the stage (iii).
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
2. Método de síntesis de un gel de carbón dopado con al menos un metal según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de obtención (i) comprende:2. Method of synthesis of a carbon gel doped with at least one metal according to claim 1, characterized in that the obtaining step (i) comprises:
a)to)
preparar una solución acuosa que comprende un compuesto fenólico y al menos un surfactante;preparing an aqueous solution comprising a phenolic compound and at least one surfactant;
b)b)
calentar dicha solución acuosa;heating said aqueous solution;
c)C)
adicionar gota a gota un aldehído sobre la solución acuosa;add an aldehyde drop by drop over the solution watery;
d)d)
gelificación a temperatura constante hasta la obtención de un hidrogel.constant temperature gelation until Obtaining a hydrogel.
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
3. Método de síntesis de un gel de carbón dopado con al menos un metal según la reivindicación 1 o 2 en el que la etapa (ii) de dopaje se lleva a cabo adicionando al hidrogel resultante de la etapa d) gota a gota una disolución saturada de precursor del metal.3. Method of synthesis of a doped carbon gel with at least one metal according to claim 1 or 2 wherein the doping stage (ii) is carried out by adding to the hydrogel resulting from step d) drop by drop a saturated solution of metal precursor. 4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la solución acuosa que comprende un compuesto fenólico y al menos un surfactante se calienta una temperatura comprendida entre 40 y 60ºC y ésta se mantiene durante la las etapas de adición del aldehído c), gelificación d) y dopaje (ii).Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the aqueous solution comprising a phenolic compound and at least one surfactant is heated at a temperature between 40 and 60 ° C and this is maintained during the steps of adding the aldehyde c ), gelation d) and doping (ii). 5. Método de síntesis de un gel de carbón dopado con al menos un metal según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que la etapa (iii) de curado se lleva a cabo a una temperatura superior a la de gelificación.5. Method of synthesis of a doped carbon gel with at least one metal according to any one of claims 1 to 4 in which step (iii) of curing is carried out at a temperature higher than gelation. 6. Método según la reivindicación 5, en el que la etapa de curado (iii) del gel dopado se realiza a una temperatura comprendida entre 80 y 90ºC.6. Method according to claim 5, wherein the curing step (iii) of the doped gel is performed at a temperature between 80 and 90 ° C. 7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque:7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
a)to)
la relación molar compuesto fenólico/aldehído es 1/2, la relación molar compuesto fenólico/surfactantes es 2/1 y éstas se mantienen constantes y porque la concentración de compuesto fenólico, surfactante, aldehído es del 10% en peso.the molar ratio phenolic compound / aldehyde is 1/2, the phenolic compound / surfactant molar ratio is 2/1 and these remain constant and because the concentration of compound Phenolic, surfactant, aldehyde is 10% by weight.
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el gel dopado obtenido de la etapa (iii) presenta una estructura seleccionada de entre nanofibras, microesferas, nanoesferas y amorfo.Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the doped gel obtained from step (iii) has a structure selected from nanofibers, microspheres, nanospheres and amorphous. 9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el gel dopado obtenido de la etapa (iii) se seca y a continuación la carbonización (iv) se lleva a cabo en atmósfera inerte a temperatura comprendida entre 500-900ºC.9. Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the doped gel obtained from step (iii) is dried and then carbonization (iv) is carried out in an inert atmosphere at a temperature between 500-900 ° C. 10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el compuesto fenólico utilizado es resorcinol.10. Method according to any one of the claims 1 to 9, wherein the phenolic compound used is resorcinol 11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el aldehído utilizado es formaldehído.11. Method according to any one of the claims 1 to 10, wherein the aldehyde used is formaldehyde. 12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el surfactante se selecciona del grupo formado por surfactantes catiónicos, aniónicos y no-iónicos.12. Method according to any one of the claims 1 to 11, wherein the surfactant is selected from group formed by cationic, anionic and non-ionic 13. Método según la reivindicación 12 en el que el surfactante se selecciona del grupo formado por bromuro de hexadeciltrimetilamonio, dodecilbencensulfonato de sodio, y sorbitan monooleato de sodio.13. Method according to claim 12 wherein the surfactant is selected from the group consisting of bromide of hexadecyltrimethylammonium, sodium dodecylbenzenesulfonate, and sorbitan sodium monooleate 14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la solución acuosa comprende además un co-surfactante, preferentemente seleccionado de entre 1,3,5 trimetil benceno y t-butanol.14. Method according to any one of the claims 1 to 10, wherein the aqueous solution comprises also a co-surfactant, preferably selected from 1,3,5 trimethyl benzene and t-butanol. 15. Gel de carbón dopado con al menos un metal obtenido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.15. Carbon gel doped with at least one metal obtained according to any one of the claims previous. 16. Empleo del gel de carbón dopado con al menos un metal según la reivindicación 15, como catalizador heterogéneo.16. Use of doped carbon gel with at least a metal according to claim 15, as catalyst heterogeneous.
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