Resumen
El panorama industrial actual se enfrenta a desafíos significativos mientras transita hacia la descarbonización y la sostenibilidad, impulsado por el imperativo de lograr emisiones netas cero para 2050. Se espera una importante contribución hacia este objetivo al conectar materias primas no convencionales y renovables, alternativas a los materiales fósiles convencionales como el petróleo, a las cadenas de valor existentes de la industria química.
Actualmente, existe un creciente interés industrial en la producción de nitrilos de cadena corta como HCN y acetonitrilo, mientras que se espera que las tasas de demanda global disminuyan en los próximos años en el caso del acrilonitrilo. Como reemplazo para materias primas convencionales para la producción de nitrilos, como las olefinas ligeras C2-3 de origen fósil, el desarrollo de rutas de conversión selectivas a partir de bloques de construcción C1 renovables, como el bio/e-syngas o su derivado metanol, y precursores N1 renovables, como el amoníaco verde, proporciona rutas hacia los productos químicos nitrilos, prospectivamente con una huella de carbono más baja.
La presente tesis desarrolla y estudia catalizadores sólidos capaces de dirigir simultáneamente reacciones de acoplamiento C-N y C-C para la producción de nitrilos alifáticos C2+, particularmente acetonitrilo. Se hace hincapié en desvelar la naturaleza y estructura del verdadero catalizador activo, que se desarrolla bajo las condiciones del proceso. Específicamente, la tesis estudia efectos promocionales provocados por la combinación de dos metales en compuestos intersticiales mixtos de metales, aleaciones y compuestos intermetálicos.
En primer lugar, se realizan estudios catalíticos y teóricos complementarios de Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) sobre la conversión de mezclas de amoníaco (N1) y gas de síntesis (C1, CO+H2) a acetonitrilo con un (pre)catalizador monometálico MoO3. Estos estudios demuestran que MoN1-x, que se desarrolla mediante nitridación superficial, es el catalizador activo real y sugieren que la activación disociativa de HCN, asistida por oxígeno, es el paso controlante de la cinética de formación de acetonitrilo.
A continuación, se estudian efectos promocionales de metales de transición divalentes de primera fila en catalizadores basados en molibdeno, utilizando un conjunto de compuestos de molibdato mixto cristalino, estructuralmente análogos, como precursores de catalizador. El dopado con Mn (Mn:Mo ~1) proporciona un catalizador particularmente selectivo y estable para la síntesis de acetonitrilo a partir de mezclas de NH3/gas de síntesis, logrando una tasa de formación de acetonitrilo de 50·10-3 mmol gcat-1 min-1 a 723K. Un conjunto de métodos in situ y operando con sensibilidad bulk y superficial, proporcionan evidencias de que un oxinitruro mixto MnM, con una simetría Fm-3m, y rico en defectos estructurales, representa el catalizador activo. Se sugiere que la mayor oxofilia del oxinitruro mixto MnMo, junto con el papel clave del oxígeno superficial para la activación disociativa de HCN, subyacen al efecto sinérgico de ambos metales.
Finalmente, se estudió la conversión de mezclas en fase vapor de metanol (C1) y amoníaco (N1) a compuestos nitrogenados sobre nanocristales bimetálicos GaNi soportados en SiO2. Las aleaciones desordenadas de GaNi (Ga/(Ga+Ni)< 20%) son particularmente selectivas hacia la síntesis de nitrilos, mientras que los compuestos intermetálicos GaNi (Ga/(Ga+Ni)> 40%) catalizan principalmente la aminación de metanol a metilaminas. La difracción de rayos X y espectroscopía de absorción de rayos X, in situ y operando, revelan que el galio es un promotor necesario, el cual contribuye a la estabilización de fases expandidas de fcc Ni(C,N) así como Ni3C, a temperaturas relevantes para la catálisis (673-773K), cuyo desarrollo en la superficie del catalizador corresponde al inicio de la producción de nitrilos C2+ mediante la integración de reacciones de acoplamiento C-N y C-C.
