Resumen de Nanopartículas soportadas sobre materiales sba 15 para su aplicación a procesos de valorazión de biomasa
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D. ALFONSO YÉPEZ GAMBOA El resumen de la tesis para la base de datos Teseo debe ser una presentación de la tesis y tener la extensión suficiente para que quede explicado el argumento de la tesis doctoral. El formato debe facilitar la lectura y comprensión del texto a los usuarios que accedan a Teseo, debiendo diferenciarse las siguientes partes de la tesis:
1. Introducción o motivación de la tesis El concienciamiento social y político sobre un futuro más sostenible, el uso de materiales para procesos más eficientes y benignos con el medioambiente, conjuntamente con el aumento de la demanda energética y la escasez de las reservas de petróleo para el futuro, han creado una importante necesidad de buscar tecnologías alternativas más benignas basadas, fundamentalmente, en materiales renovables, biomasa y biocombustibles.
A nivel científico, son numerosos los avances y las investigaciones que se están llevando a cabo en la actualidad en el campo de la Química, los cuales están permitiendo desarrollar materiales y aplicaciones que protegen el medio ambiente, además de conservar la calidad y estilo de vida que deseamos, siguiendo los principios de la Química Sostenible. La biomasa es, en este sentido, una fuente rica en compuestos con múltiples funcionalidades. La principal ventaja de la utilización de la biomasa como materia prima, en comparación al petróleo, está relacionada con la presencia de un alto contenido en heteroátomos (O, N, etc.) en los compuestos presentes en la misma, lo que posibilita un sinfín de múltiples transformaciones a compuestos oxigenados y/o nitrogenados sin la necesidad de cambios significativos de entalpía en los sistemas, permitiendo un importante ahorro energético.
Asimismo, la biomasa posee en principio un ciclo cerrado en comparación con los combustibles fósiles, ya que la mayor parte de las emisiones generadas en su procesamiento vuelven a ser capturadas por las plantas en el proceso fotosintético.
La producción de compuestos químicos y materiales a partir de la biomasa es otro de los desafíos de la química para el siglo XXI, con el objetivo de desarrollar procesos más eficientes y a la vez más benignos con el medio ambiente. Uno de estos desafíos es la producción de materiales para su uso en catálisis heterogénea. La catálisis heterogénea, que tuvo un papel muy importante en el desarrollo económico de la Industria Química en la primera mitad del siglo XX, es un área de investigación de pujanza hoy en día, ya que permite la utilización de materiales más eficientes y procesos más selectivos en comparación con el uso de reactivos estequiométricos y catalizadores en fase homogénea que son difíciles de separar y necesitan de etapas adicionales para llevar a cabo tal separación.
Con el diseño de catalizadores heterogéneos, se buscan nuevos procesos y metodologías más eficientes y a la vez respetuosas con el medioambiente, así como la mejora de procesos químicos, tanto del punto de vista económico como desde el punto de vista de la actividad y selectividad de los catalizadores. En este sentido, el empleo de nanopartículas metálicas soportadas ha atraído recientemente gran interés debido a su alta actividad y especificidad. Debido a su pequeño tamaño, estas nanopartículas presentan una gran tendencia a agregarse para estabilizarse. El empleo de materiales porosos, entre los que se encuentran las zeolitas, los materiales amorfos (alúmina, silicatos, aluminosilicatos, etc.), los materiales mesoporosos (HMS, M41S, SBA, etc.), ha supuesto una alternativa interesante para controlar la estabilización, dispersión homogénea y el tamaño de dichas nanopartículas. Entre estos, destacamos los materiales del tipo SBA-15 que presentan un elevado ordenamiento en forma de canales hexagonales monodimensionales grandes y uniformes, además de poseer paredes porosas gruesas que los hace térmica e hidrotérmicamente más estables frente a otros materiales mesoporosos.
Las metodologías empleadas para la síntesis de nanopartículas soportadas han sido muy diversas. Los mayores esfuerzos se han centrado en desarrollar procedimientos respetuosos con el medio ambiente, en los que se empleen disolventes benignos o incluso evitar el uso de cualquier tipo de disolvente o sustancia auxiliar como se recoge en los 12 Principios de la Química Sostenible.
2. Contenido de la investigación La Tesis Doctoral aborda el estudio de la actividad y selectividad, sobre los diferentes catalizadores sintetizados en procesos de conversión de “platform molecules” obtenidos a partir de la biomasa, a productos de alto valor añadido. Además, se plantea un reto fundamental en el campo de la catálisis heterogénea como es la preparación de forma rápida, barata y eficiente de nuevos materiales que sustituyan en el futuro a los catalizadores tradicionales.
Así, se han sintetizado diferentes metalosilicatos del tipo SBA‑15 utilizados, posteriormente, como soportes. A estos materiales se les ha incorporado nanopartículas de hierro, paladio o cobre, utilizando diferentes metodologías post-sintéticas desarrolladas por nuestro grupo de investigación. Entre ellas, cabe destacar el sistema de incorporación de nanopartículas metálicas mediante procesos de flujo continuo, obteniendo nuevos materiales catalíticos basados en nanopartículas de hierro soportadas con resultados en la actividad y selectividad comparables a los de catalizadores tradicionales de paladio.
Finalmente, los procesos catalíticos investigados en el desarrollo de esta Tesis Doctoral sobre los diferentes catalizadores sintetizados son: la conversión de almidón en derivados furánicos de alto valor añadido; la hidroconversión del cinamaldehído; la oxidación selectiva del alcohol bencílico y la alquilación del tolueno, procesos utilizados como reacciones modelo para determinar las propiedades redox y ácidas, respectivamente; y por último, la conversión de ácido levulínico en ‑valerolactona.
3. Conclusión Se han sintetizado aluminosilicatos con estructura SBA‑15, empleando el método sol-gel combinado con un tratamiento hidrotérmico, utilizando con éxito procedimientos de síntesis directa para la incorporación de metales (por substitución isomórfica del silicio por los metales deseados, en este caso Al, Zn o Zr) en la estructura de dichos materiales. Tras su síntesis se han funcionalizado los materiales mesoporosos empleando procedimientos post-sintéticos novedosos tales como la molienda mecanoquímica y se ha desarrollado un nuevo procedimiento mediante flujo continuo para la síntesis y estabilización de nanopartículas metálicas soportadas sobre los materiales porosos.
Las nanopartículas metálicas soportadas (cobre, paladio e hierro, respectivamente) sobre los diferentes aluminosilicatos tipo SBA-15 mediante las diferentes metodologías, tanto por molienda mecanoquímica como mediante procesos en flujo continuo, han demostrado ser altamente activas y con una particular selectividad a diferentes compuestos en las diferentes reacciones llevadas a cabo mediante irradiación asistida por microondas.
Se ha empleado ácido fórmico siendo el encargado de proporcionar in situ, bajo calentamiento y con la presencia de metales nobles, el hidrógeno necesario para llevar a cabo las reacciones requeridas, actuando por tanto, como disolvente donador de hidrógeno y como co-catalizador ácido.
