In situ characterization of porous VPO catalysts with fibrous structure: Identifying the redox behavior and the stability of active sites

Two VPO materials with fibrillar morphology have been prepared by the aid of electrospinning technique. One is a VPO carbon-supported material (VCF200) with fibrous morphology and very high surface area that is stable under oxidizing conditions up to 350C. The other material is a bulk mixed VPO oxide (VPO500) with fibrous structure obtained after optimizing the calcination of the carbon support in VCF200. Despite it is a bulk oxide material, this material exhibits a high surface area (> 60 m2/g). The redox behavior of both samples was monitored by in situ Raman spectroscopy under oxidation/reduction cycles. For the dehydrated supported sample (VCF200), the pyrophosphate phase (VO)2P2O7 (Raman ~930 cm-1) is detected, which has been described as the active phase (see Figure (a) below). This phase is quite stable since it does not disappear upon subsequent oxidation/reduction cycles. Under reduction conditions at 125C, in consecutive cycles, additional Raman bands appear at ~1090 cm-1 that are characteristic of the αII-VOPO4 phase. On the other hand, the bulk phases show a reversible behavior under redox cycles (Figure (b)). Under reducing conditions, a Raman band appears at ~980 cm-1 (β-VPO phase), whereas under oxidation conditions some segregation to VOx oxides occurs. Nevertheless, this segregation is reversible and the β-VPO phase forms again under reducing conditions. Thus, these results demonstrate that the active VPO phases of these fibrous catalysts are quite stable, and that their structure is reversible under several redox cycles, which make them suitable as oxidation catalysts.

Catalizadores de base carbonosa para reacciones de oxidación y deshidratación de alcoholes

En las últimas décadas, el estudio y desarrollo de carbones activos como catalizadores o soportes catalíticos se ha incrementado enormemente debido a las ventajas derivadas de su elevada capacidad adsorbente, inercia y estabilidad química, una química superficial versátil y elevada resistencia mecánica. Además, su preparación a partir de residuos biomásicos supone un beneficio no sólo económico, sino también medioambiental, que puede resultar clave en el contexto energético e industrial actual. El objetivo de la tesis doctoral es la preparación y caracterización de catalizadores carbonosos obtenidos mediante activación química de residuos lignocelulósicos. Se ha activado un residuo biomásico como es el hueso de aceituna mediante impregnación con H3PO4 a diferentes relaciones de impregnación y temperaturas de activación. A pesar del proceso de lavado, una cantidad significativa de fósforo, permanece unida de forma estable a la superficie de los carbones obtenidos proporcionando una elevada concentración de grupos superficiales ácidos y una alta resistencia a la oxidación, lo que les confiere una particular química superficial. Este hecho, unido al notable desarrollo de la estructura porosa, con una contribución significativa de la microporosidad ancha y de la mesoporosidad, hace que estos carbones activos sean muy interesantes como sistemas catalíticos. En la presente tesis se ha estudiado la descomposición de alcoholes sobre los carbones activos ácidos. Los resultados mostraron que los carbones preparados son activos para la conversión catalítica de metanol y etanol, en aire, obteniéndose principalmente productos de deshidratación. Además, se han analizado las cinéticas de los resultados experimentales obtenidos, se han planteado modelos mecanísticos basados, inicialmente, en los ya propuestos en la bibliografía y se han formulado nuevos modelos, se ha estudiado la validez de éstos en base a la bondad de los ajustes y, finalmente, se obtuvieron las constantes cinéticas y termodinámicas para cada uno de los procesos. Por otro lado, estos carbones activados con ácido fosfórico se han usado como soporte de especies de óxido de vanadio. De esta manera se ha obtenido un catalizador VPO soportado en carbón activo y se ha estudiado su uso en las reacciones de oxidación parcial de propileno y la oxidación deshidrogenativa de propano (ODH). Además, se obtuvieron catalizadores másicos de VPO con morfología esférica y estructuras huecas tras una etapa de calcinación. Una de las principales características de estos sistemas catalíticos es la elevada área superficial, tanto de los óxidos soportados como másicos lo que los hace muy interesantes para aplicaciones catalíticas. La incorporación de vanadio al soporte de carbón activo disminuye la temperatura de oxidación de éste, pero, en cualquier caso, los catalizadores son estables en las condiciones de operación. Los datos de actividad fueron muy interesantes en el caso de la reacción de ODH de propano, que resultaron muy próximos a los valores más altos reportados para esta reacción, lo cual hace a estos catalizadores prometedores para su uso en reacciones de oxidación parcial de hidrocarburos, a la vez que abre una nueva posibilidad a los carbones activos como sistemas catalíticos en procesos de interés tecnológico.