Resumen de Phosphate-based catalysts for the WGS reaction: Synthesis, reactivity and mechanistic considerations
La reacción de desplazamiento de gas de agua, o Water-Gas Shift (WGS, CO + H2O <--> CO2 + H2) ha sido ampliamente empleada en el ámbito industrial. No obstante, en las últimas décadas, ha sido crucial su aplicación dentro de la tecnología de celdas de combustible. En este contexto, las celdas de combustible de membrana polimérica (PEMFCs), que transforman la energía química del hidrógeno en energía eléctrica, han demostrado ser las más eficientes para su uso en aplicaciones móviles, es decir, para su uso en el ámbito del transporte; de esta manera, dichos dispositivos constituyen interesantes sustitutos de los motores de combustión típicamente empleados en vehículos motorizados, los cuales presentan importantes inconvenientes en términos medioambientales.
No obstante, el hidrógeno empleado como corriente de alimentación en celdas de combustible es producido a través de procesos de reformado, lo que implica la presencia inevitable de trazas de CO, el cual debe ser eliminado de la corriente de hidrógeno previo uso de ésta en la celda de combustible. Para ello, la reacción de WGS resulta fundamental, ya que elimina la mayor parte del CO.
En consecuencia, la búsqueda de catalizadores altamente activos y selectivos para la reacción de WGS constituye un aspecto crucial. Entre los catalizadores empleados, aquellos basados en metales nobles, particularmente Pt, han demostrado ser los más eficientes para esta aplicación. No obstante, numerosos estudios han puesto de manifiesto la importancia no sólo del metal noble empleado, sino también del soporte utilizado, ya que ambos controlan el desempeño catalítico durante la reacción de WGS y, en consecuencia, el mecanismo a través del cual tiene lugar la reacción.
De manera general, se han propuesto dos mecanismos para la reacción de WGS: el mecanismo redox y el mecanismo asociativo. En el primero, el CO se adsorbe en los sitios metálicos y difunde a la interfase metal/soporte, donde reacciona con un átomo de oxígeno del soporte, generando CO2. En consecuencia, la vacante de oxígeno generada es re-oxidada por la molécula de H2O, generando H2. Por el contrario, en el mecanismo asociativo tanto el CO como el H2O son adsorbidos en sitios activos del catalizador, dando lugar a intermedios tales como formiatos, carbonatos o bicarbonatos, que posteriormente se descomponen para dar los productos de reacción, CO2 e H2.
Sin embargo, sea cual sea el mecanismo de reacción, la etapa limitante del proceso ha demostrado ser la difusión y disociación de la molécula de H2O, que tiene lugar en el soporte o en la interfase metal/soporte.
Por tanto, la selección del soporte catalítico empleado es crucial. En este sentido, se han llevado a cabo una gran cantidad de estudios, los cuáles concluyen que tanto la presencia de defectos estructurales como la conducción iónica de los soportes son determinantes para el desarrollo exitoso de catalizadores de WGS.
Así, los compuestos tipo fosfato surgen como una alternativa interesante para su uso como soportes en WGS, dada la presencia de defectos en su estructura y su uso previo como conductores protónicos en celdas de combustible. A ello se añade la alta estabilidad de estos compuestos y la posibilidad de modificar sus propiedades estructurales y superficiales. Entre ellos, el fosfato de cerio (CePO4) resulta especialmente interesante dada la presencia de Ce en su estructura, que podría dar lugar a ciclos redox y por tanto, formación de vacantes de oxígeno durante la reacción de WGS, la posibilidad de controlar su estructura cristalina y su alta afinidad por la molécula de agua.
El CePO4 puede encontrarse en dos fases cristalinas: la fase rhabdophane, caracterizada por la presencia de canales estructurales estabilizados por la presencia de agua en ellos, y la fase monazita, que surge de la deshidratación de la primera y en la que los canales estructurales desaparecen.
Por todo ello, el presente trabajo propone la síntesis de las dos fases del CePO4 como soportes para catalizadores de Pt, empleados en la reacción de WGS. La afinidad con la molécula de agua, el desempeño catalítico de los sistemas preparados y el estudio del mecanismo de la reacción de WGS en estos sólidos es estudiado en profundidad, poniendo de manifiesto la importancia de la disponibilidad de agua durante el proceso y exponiendo cómo las diferencias estructurales entre ambos soportes influyen de manera determinante en la reacción de WGS. Además, otros dos soportes tipo fosfato basados en Ca y Ti son estudiados y comparados con los sistemas de Ce, resaltando las ventajas del uso de los fosfatos para la reacción de WGS.
