Seminario de Nanotecnologia_Aplicaciones en Catalisis

Nanotecnología: Aplicaciones en Catálisis

POR: SAUL EDGARDO LOPEZ FLORES

LICENCIATURA EN CIENCIAS QUÍMICAS

2012

CATEDRATICO: MSC. ERICK MENDEZ

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA DE OCCIDENTE

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

QUIMICA FISICA III

ÍNDICE DE CONTENIDO

2

QUIMICA FISICA III

1. INTRODUCCIÓN

2. APLICACIONES DE LA NANOCATÁLISIS

3. PRODUCCIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO POR CATALIZADOR DE HIERRO

4. SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS Y SU USO COMO CATALIZADORES MAGNETICAMENTE RECICLABLES

1.Introduccion. La Catálisis 3

Piedra angular de los procesos biológicos para la producción a gran escala de productos químicos.

Los investigadores necesitan mejorar las actividades del catalizador.

Productos farmacéuticos, medios de protección del medio ambiente y energía sostenible.

Ej.: TiO2

QUIMICA FISICA III

Los Catalizadores 4

QUIMICA FISICA III

1

•Aumentan la velocidad de una reacción química sin ser consumido o alterado.

2

•Reducen la barrera de la energía necesaria para que la reacción ocurra.

3

•Naturales:Eficientes de energía (Enzimas)

•Artificiales:No son eficientes de energía ( Partículas metálicas sobre óxidos)

La Catálisis en Nanotecnología 5

QUIMICA FISICA III

Usando Nanotecnología en Catálisis se puede controlar :

Tamaño de Nanopartículas Estructura Molecular/ Distribución Lograr un alto grado de selectividad Fabricación de estructuras a escala

nanometrica“Nanotecnología es el futuro”

Propiedad Esencial: Su superficie activa donde ocurre la reacción

Ojo!

2. Nanotecnología para Catálisis

Catálisis Heterogénea

Los catalizadores heterogéneos proporcionan una superficie en la que la reacción se produzca

Los catalizadores heterogéneos

constan de pocos nm de ancho

Superficies hasta de 250 m2 por gramo

Su desafío: Catalizadores mas eficientes

6

QUIMICA FISICA III


7

QUIMICA FISICA III

1. INTRODUCCIÓN




Reconocimiento y Agradecimientos8

1. FILIPPONI, LUISA, “Applications Of Nanotechnology: Catalysis”, TECHNICAL NOTE 2007

Dr. LUISA FILIPPONI

Nationality: Italian and U.S.A.

ESTA REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA FUE REALIZADA CON LA VALIOSA AYUDA DE :

Dr. LUISA FILIPPONI, QUIEN PUBLICO LOS RESULTADOS DE SU INVESTIGACION EN EL AÑO 2007.

INVESTIGACION REALIZADA EN EL INTERDISCIPLINARY NANOSCIENCE CENTRE (iNANO), UNIVERSITY OF AARHUS, DENMARK.

A ELLA Y SU EQUIPO DE INVESTIGACION LES DESEO EXPRESAR MI MÁS AMPLIA GRATITUD POR PERMITIRME COMPARTIR SUS LOGROS.

QUIMICA FISICA III

1. INSTRUMENTAL DE ANALISIS Y CARACTERIZACION

2. CATALIZADORES DE HIDRODESULFURACION ESTUDIADOS POR STM

3. CATALIZADOR DE ALEACION DE SUPERFICIE DE Au / Ni

4. CONCLUSIONES

Microscopio de Efecto Túnel (STM)10

Figura 1. Microscopio de Efecto Túnel RHK UHV 3000

Figura 2. Imagen STM.


11Microscopio de Barrido por Sonda (SPM)

Figura 3. Imagen SPM de electrones gaseosos confinados en 2D

Figura 4. Microscopio de Barrido por Sonda LEAP Si™


Microscopio de Fuerza Atómica (AFM)12

Figura 5. Microscopio de Fuerza Atómica Nanoscope II

Figura 6. Imagen AFM de nanotubos

de carbono semiconductores.


QUIMICA FISICA III


2. CATALIZADORES DE HIDRODESULFURACION ESTUDIADOS POR STM


4. CONCLUSIONES

Catalizadores de Hidrodesulfuración 14

Catalizadores usados en la

descontaminación de S de los

combustibles fósiles Lo constituye el catalizador de desulfurización MoS

2

Gran interés por mejorar este

tipo de catalizadores

ambientales

Fig.7. Esquema de un catalizador en un reactor de desulfurización de gasolina. A la derecha imagen STM de un de nanocristales de MoS2 en Au.


Proceso de Desulfuración15

Fig.9. Imágenes STM de un nanocristal de MoS2 (izquierda) y el modelo estructural a la derecha.

Fig.8. Visión general del proceso de Hidrodesulfuración


QUIMICA FISICA III


2. CATALIZADORES DE HIDRODESULFURIZACION ESTUDIADOS POR STM


4. CONCLUSIONES

Catalizador de aleación Au / Ni para la reforma de vapor

En el proceso de Reforma de Vapor, el gas natural se convierte en H2 y CO.

Proceso industrial predominante para producir H2

17


Esta aleación Au / Ni lleva a cabo el proceso de reforma de vapor mediante microscopía de efecto túnel (STM). Es menos reactiva pero más robusta que las de Ni, en la descomposición de los gases naturales como el CH4

Catalizador de aleación Au / Ni para la reforma de vapor

18

Fig.10. Imágenes de STM de superficie de Ni. Au se observa como depresiones oscuras en la superficie. Los átomos de Ni que rodean el Au aparecen más brillantes debido a una modificación local de la estructura electrónica

Con este catalizador hay reducción

significativa de la formación de grafito


QUIMICA FISICA III


2. CATALIZADORES DE HIDRODESULFURIZACION ESTUDIADOS POR STM

3.CATALIZADOR DE ALEACION DE SUPERFICIE DE Au / Ni

4. CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

Los estudios STM de sistemas de catalizadores modelo pueden proporcionar nuevas ideas en sistemas catalíticos industriales.

La importancia que tiene la catálisis en la identificación de sitios activos, también en los defectos y efectos de sustrato a escala atómica.

Es importante ser consciente de que sistemas de catalizadores modelo pueden diferir significativamente de catalizadores de altas superficies, tanto con respecto a la naturaleza de la morfología superficial y la gama de presión aplicada.

20



21

QUIMICA FISICA III

1. INTRODUCCIÓN




Reconocimiento y Agradecimientos 22

2. TEKKAYA-DUNDAR, EZGI; KARATEPE, NILGUN; “Production Of Carbon Nanotubes by Iron Catalyst”, 2011. World Academy of Science, Engineering and Technology 79, 225-231


EZGI TEKKAYA-DUNDAR; NILGUN KARATEPE, QUIENES PUBLICARON SUS RESULTADOS DE SU INVESTIGACION EN EL AÑO 2011.

INVESTIGACION REALIZADA EN EL ISTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY ENERGY INSTITUTE, TURKEY.

A ELLOS Y SU EQUIPO DE INVESTIGACION LES DESEO EXPRESAR MI MÁS AMPLIA GRATITUD POR PERMITIRME COMPARTIR SUS LOGROS.

1. INTRODUCCION23

2. DISEÑO EXPERIMENTAL

3. RESULTADOS Y DISCUSION

QUIMICA FISICA III

4. CONCLUSIONES

Descubrimiento de los Nanotubos de Carbono (CNT) 24


En 1985, se descubrieron los fullerenos. Fue el gran avance de la nanotecnología. • En 1991 se descubrieron los CNT de paredes múltiples (MWCNT)• Dos años antes se descubrieron los CNT de pared simple (SWCNT).

Nanotubo de pared múltipleNanotubos de pared simple (a, b, c)

Aplicaciones de los Nanotubos de Carbono (CNT) 25


La Electrónica

En Medicina

En TextilesEn Electrodos

Aplicaciones de Campo

Magnético

Nanomúsculos

Método de Deposición Catalítica de Vapor Químico (CCVD)

26

Método común para producción en masa de

CNT

Diferentes parámetros que afectan a la estructura, la

morfología y la cantidad de CNT sintetizados.

El tipo del catalizador es importante para el

crecimiento y morfología de los CNT.

Es la deposición de un gas de hidrocarburo como

fuente de carbono en un catalizador de metal.

La mejor calidad de nanotubos de carbono fueron obtenidos sobre

el catalizador de Fe


Proceso:

1. INTRODUCCION27



QUIMICA FISICA III

4. CONCLUSIONES

Preparación del Catalizador 28

MgO

Fe(NO3)3 • 9H2O

MEZCLA : se impregna el catalizador Fe en el sustrato de MgO en solución

de etanol


• Los catalizadores de Fe se preparan a proporciones en peso de MgO de 1:100, 5:100 y 10:100.

• A temperaturas de síntesis de 500 y 800

°C.

La producción deNanotubos de Carbono

29

FASE1

• El catalizador y la mezcla del sustrato Fe/MgO se colocan en un disco de

sílice nanoporoso.

• La síntesis se inicia con la introducción del

acetileno (fuente de C) mezclado con Ar.

• El tiempo de reacción fue elegido de 30 y 60 min.

FASE 2

• Se calienta el sistema en un horno Protherm a 500 °C para MWCNT y 800 °C para SWCNT.

FASE 3

• Los materiales sintetizados se caracterizan por :

• Análisis Gravimétrico Térmico (TGA)

• Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM)


1. INTRODUCCION30



QUIMICA FISICA III

4. CONCLUSIONES

EFECTO DE LA TEMPERATURA 31

Fig.11. Imagen TEM de los CNTs sintetizados a 500 °C

Fig.12. Imagen TEM de los CNTs sintetizados a 800 °C


32

Fig.13. Temperatura vs. Eficiencia de Carbono por 30 min

5:100 ≈ 10:100 1:100 5:100 1:100 ≈

10:100500 °C 800 °C


33

Fig.14. Temperatura vs. Eficiencia de Carbono por 60 min

10:100 5:100 1:100 500 °C 800 °C 5:100 ≈ 1:100 10:100


EFECTO DEL TIEMPO 34

Fig.15. Tiempo vs. Eficiencia de Carbono a 500 °C

5:100 ≈ 10:100 1:100 10:100 5:100 1:10030 min 60 min


35

Fig.16. Tiempo vs. Eficiencia de Carbono a 800 °C

5:100 1:100 ≈ 10:10030 min 60 min 5:100 ≈

1:100 10:100


EFECTO DE LA PROPORCION DE LA MASA DEL CATALIZADOR - SUSTRATO

36

2. TEKKAYA-DUNDAR, EZGI; KARATEPE, NILGUN; ISTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY ENERGY INSTITUTE, TURKEY; “Production Of Carbon Nanotubes by Iron Catalyst”, 2011. World Academy of Science, Engineering and Technology 79, 225-231

Fig.17. Relación de Masa vs. Eficiencia de Carbono a 500 °C

5:100 ≈ 10:100 1:100 10:100 5:100 1:10030 min 60 min

37


Fig.18. Relación de Masa vs. Eficiencia de Carbono a 800 °C

5:100 10:100 ≈ 1:10030 min 60 min 1:100 ≈

5:100 10:100

1. INTRODUCCION38



QUIMICA FISICA III

4. CONCLUSIONES

CONCLUSIONES 39


La temperatura, tiempo y proporción de masa son parámetros importantes para la eficiencia de producción de nanotubos de carbono con catalizadores de Fe

Como resultado de la microscopia de transmisión electrónica (TEM) la formación de MWCNTs y SWCNTs se observan en 500 y 800 ºC, respectivamente

La eficiencia de carbono como CNT producidos se ven afectados con el aumento de temperatura y el tiempo, mientras que el aumento de la proporción en peso tiene un efecto positivo en la eficiencia de carbono.

ÍNDICE DE CONTENIDO40

QUIMICA FISICA III

1. INTRODUCCIÓN




Reconocimiento y Agradecimientos41


A CHAO GAO and HONGKUN HE, QUIENES PUBLICARON SUS RESULTADOS DE SU INVESTIGACION EN EL AÑO 2011.

INVESTIGACION REALIZADA EN EL LABORATORY OF MACROMOLECULAR SYNTHESIS AND FUNCTIONALIZATION, DEPARTMENT OF POLYMER SCIENCE AND ENGINEERING, ZHEJIANG UNIVERSITY, HANGZHOU, CHINA.

A ELLOS Y SU EQUIPO DE INVESTIGACION LES DESEO EXPRESAR MI MÁS AMPLIA GRATITUD POR PERMITIRME COMPARTIR SUS LOGROS.

3. HONGKUN HE AND CHAO GAO, “ Synthesis of Fe3O4 Nanoparticles Decorated Carbon Nanotubes and Their Use as Magnetically Recyclable Catalyst”, 2011. Journal of Nanomaterials, Article ID 193410, 10 pages

Ph.D Gao ChaoNationality: Chinese

1. INTRODUCCION

42



QUIMICA FISICA IIIQUIMICA FISICA III

4. CONCLUSIONES

Catalizadores Magnéticamente Reciclables

Los catalizadores magnéticos han recibido atención creciente a causa del reciclado del catalizador por un campo magnético externo.

43

Fig.19. Partículas de Oxido de Hierro magnético.

Retos en síntesis de CNT-apoyados por catalizadores magnéticos, (1) pérdida del magnetismo (nanopartículas nobles) es difícil de evitar, y (2) es difícil de cargar las nanopartículas de forma independiente en diferentes CNT


Catalizadores Magnéticamente Reciclables

44


Está en consonancia con los principios de la química verde, con sus características ambientalmente

armoniosas

Los materiales de partida y otros reactivos son comercialmente

disponibles como lo son los CNT funcionalizados con radicales

carboxilo

El proceso de síntesis es simple y fácilmente escalable

1. INTRODUCCION

45




4. CONCLUSIONES

Materiales e Instrumental 46

Fig. 20. DRX Rigaku D/max-2200/PC


REACTIVOS

• NANOTUBOS DE CARBONO PURIFICADOS DE PARED MÚLTIPLE (P-MWNTS)

• CLORURO DE HIERRO ANHIDRO (III) (FECL3, 98%)

• DIETILENGLICOL (DEG, 99%)

• HIDRÓXIDO DE SODIO (NAOH, 99%) Y ETANOL

• MWNTS FUNCIONALIZADOS CON RADICALES CARBOXILOS

INSTRUMENTAL

Fig. 21. Microscopio electrónico JEOL

JEM2010

PREPARACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE Fe3O4/Pt DECORADAS CON NANOTUBOS DE CARBONO

47


Fig. 22. Fotografías de los m-MWNTs con relaciones de alimentación son de 0,2 / 1, de 1/1 y 5/1; de peso / peso de Fe3O4

48

Fase1

• Los nanotubos de

carbono fueron

funcionalizados con

radicales carboxilo

• (-COOH)

Fase 2

• Los CNT carboxilo

funcionalizados fueron

decorados con

nanopartículas de Fe3O4 en

una forma controlada

Fase 3

• Se depositan las

nanopartículas de Pt

mediante aprovechamie

nto de los grupos

carboxilo no ocupados en

CNT.

Fase 4

• El resultado de

nanopartículas de Fe3O4/Pt decoradas con CNT siguen

manteniendo un fuerte

magnetismo y actividades catalíticas.3. HONGKUN HE AND CHAO GAO, “ Synthesis of Fe3O4 Nanoparticles Decorated Carbon

Nanotubes and Their Use as Magnetically Recyclable Catalyst”, 2011. Journal of Nanomaterials, Article ID 193410, 10 pages

1. INTRODUCCION

49




4. CONCLUSIONES

Caracterización de los CNT magnéticos de pared múltiple (m-MWNTs)

50

Fig. 23. (a) Imágenes TEM de los p-MWNTs (b) y (c), m-MWNTs con relación de alimentación de 0.2/1 (d)-(f) 1/1



51

Fig. 24. Curvas de Histéresis magnéticas a 300 K de los m-MWNTs proporción de alimentación de (a) 5/1 (b)1/1 ( c) 0.2/1



52

Fig. 25. Difracción de rayos X en polvo de los m-MWNTs en proporción de alimentación de (a) 5/1 (b)1/1 ( c) 0.2/1


Fe3O

4

CARACTERIZACION DE NANOPARTÍCULAS DE FE3O4/Pt DECORADAS CON NANOTUBOS DE CARBONO 53

Fig. 26. Imágenes TEM de baja resolución de los m-MWNTs@Pt


54

Fig. 27. Imágenes TEM de alta resolución de los m-MWNTs@Pt , (c) muros laterales de MWNTs, (d) nanopartículas de Pt y (e) nanoparticulas de Fe3O4

Fig. 28. Mapas de los elementos de los

m-MWNTs@Pt, del carbono, hierro y

platino


CARACTERIZACION DE NANOPARTÍCULAS DE FE3O4/Pt DECORADAS CON NANOTUBOS DE CARBONO

55

Fig. 29. Espectro EDS (a) y patrones XRD (b) de m-MWNTs@Pt.


Su Aplicación en Catálisis 56

Fig. 30. Ilustración esquemática del reciclaje de m-MWNTs @ Pt para la reducción catalítica de 4-nitrofenol en 4-aminofenol en una cubeta de cuarzo.


1. INTRODUCCION

57

2. ESTUDIOS EXPERIMENTALES



4. CONCLUSIONES

CONCLUSIONES 58

QUIMICA FISICA III

• Se desarrollo un nuevo tipo de nanopartículas de Fe3O4/Pt decoradas con CNT para su uso primerizo como catalizadores magnéticos reciclables.

• La síntesis de CNT magnéticos es controlable y, fácilmente escalable. Los catalizadores resultantes muestran una alta actividad catalítica en la reducción de 4-nitrofenol y puede ser reutilizado por lo menos en quince ciclos.

MUCHAS

GRACIAS POR

SU ATENCION

PRESTADA!!!QUIMICA FISICA III

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