Design and Study of Nanostructured Ru/NiO-CeO2 based Bimetallic Catalysts for CO and CO2 Methanation

• Autores: Juan Bueno Ferrer
• Directores de la Tesis: Agustín Bueno López (dir. tes.), Dolores Lozano Castelló (codir. tes.)
• Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Carrasco Marín (presid.), Elena Serrano Torregrosa (secret.), Juan J. Villora Picó (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia de Materiales por la Universidad de Alicante
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RUA
• Resumen

  • Desde el inicio de la era industrial, aproximadamente en 1750, las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera han crecido a un ritmo alarmante, superando los límites registrados en los últimos ochocientos mil años, con un aumento del 47 % en el dióxido de carbono y un incremento masivo del 156 % en el metano, lo que ha generado una correlación directa con el aumento de la temperatura global de 1.1 ºC entre 2011 y 2020 respecto al periodo preindustrial. Los sectores de la energía y el transporte son los principales responsables al emitir más de un tercio del dióxido de carbono global, lo que obliga a la sociedad a enfrentar el reto de la descarbonización total mediante una transición hacia fuentes renovables variables como la solar y la eólica, aunque dada la imposibilidad de un cambio instantáneo, es imperativo gestionar las emisiones actuales mediante estrategias de mitigación y tecnologías de captura, almacenamiento y utilización de carbono conocidas como CCU. En este contexto, la tecnología Power-to-Methane se presenta como una solución estratégica al convertir el dióxido de carbono residual en gas natural sintético, permitiendo almacenar energía renovable en forma de hidrógeno verde dentro de la molécula de metano y aprovechando la infraestructura de gas existente, redefiniendo este residuo como una materia prima proveniente de procesos industriales, biomasa incluso del aire ambiente. Para que este proceso sea viable, se deben superar desafíos en la electrólisis del agua y en la separación eficiente del dióxido de carbono mediante técnicas de absorción, adsorción o membranas. La base química de este proceso es la reacción de metanación descubierta por Paul Sabatier en 1902, la cual es exotérmica y se favorece a bajas temperaturas, pero presenta una cinética lenta que requiere el desarrollo de catalizadores avanzados para operar de manera eficiente. La investigación se ha centrado en catalizadores de níquel apoyados en óxido de cerio y optimizados con rutenio, debido a que el níquel ofrece una alta eficiencia a bajo coste mientras que el rutenio mejora la reducibilidad y la dispersión metálica. El uso de nanopartículas de entre 1 y 100 nm es crítico, ya que el rendimiento catalítico depende directamente del área superficial y de la interfaz entre el metal y el soporte, donde ocurren las reacciones químicas y se evita la sinterización a altas temperaturas. El soporte de óxido de cerio es fundamental por su capacidad de crear vacantes de oxígeno y sitios básicos para la quimisorción del dióxido de carbono. En este trabajo se prepararon nanopartículas mediante la técnica de microemulsión inversa, logrando una homogeneidad estructural superior a la de los métodos convencionales de calcinación directa. La caracterización mediante técnicas avanzadas como NAP-XPS y DRIFT permitió identificar que el proceso comienza con la reducción del catalizador por el hidrógeno, generando vacantes de oxígeno donde el dióxido de carbono se quimisorbe y se disocia. Se determinó que la desorción del agua es el paso más lento de la reacción, y que el rutenio metálico estable es esencial para la hidrogenación rápida de los intermediarios de carbono. Además, el estudio de la co-metanación demostró que el catalizador bimetálico puede procesar simultáneamente monóxido y dióxido de carbono, siendo el sistema altamente eficiente al equilibrar la quimisorción y la hidrogenación sin desactivarse por la formación de coque. Finalmente, el escalado de la tecnología se evaluó en una planta piloto utilizando monolitos de acero y carbono fabricados mediante impresión 3D como soportes para la fase activa. Los resultados indicaron que los soportes de carbono son más eficaces a temperaturas inferiores a los 325 ºC debido a su baja conductividad térmica, lo que permite retener el calor generado por la propia reacción exotérmica y provocar un autocalentamiento local que acelera la conversión. Por el contrario, el acero disipa el calor rápidamente, requiriendo más energía externa. Se concluyó que a flujos elevados la reacción no está limitada por la transferencia de masa, ya que las turbulencias generadas espontáneamente por el cambio de volumen de los gases y la liberación de calor mejoran el contacto entre los reactivos y los sitios activos del catalizador, validando la eficacia del sistema bimetálico nanoestructurado para su futura implementación industrial.