Sustratos, soportes y ligandos en los catalizadores de metales preciosos
Introducción
Los catalizadores demetales preciosos se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones industriales debido a sus excepcionales propiedades catalíticas. Sin embargo, su rendimiento depende en gran medida de los materiales a los que están unidos, denominados sustratos, soportes o ligandos. Estos materiales desempeñan un papel crucial en la determinación de la actividad, estabilidad, selectividad y capacidad de regeneración del catalizador. A continuación se ofrece una descripción detallada de estos componentes y su importancia en las reacciones catalíticas.
1. El sustrato: La base de las reacciones catalíticas
El sustrato es la superficie sobre la que se fijan o dispersan los metales preciosos durante las reacciones catalíticas. Esto es especialmente importante en el caso de los catalizadores heterogéneos. La elección del sustrato es fundamental, ya que afecta a la dispersión, el área superficial y la actividad catalítica de los metales preciosos.
Los materiales de sustrato más comunes son:
- Alúmina (Al₂O₃): La alúmina es conocida por su gran área superficial y su buena resistencia mecánica, lo que la convierte en una elección popular para sustratos en reacciones de hidrogenación, oxidación y reformado.
- Sílice (SiO₂): Los sustratos de sílice son químicamente inertes y muy estables térmicamente, por lo que son adecuados para procesos catalíticos que requieren una alta selectividad.
- Materiales de carbono: El carbono activado y los nanotubos de carbono ofrecen una excelente conductividad eléctrica y una gran superficie, lo que los convierte en sustratos ideales para catalizadores de pilas de combustible y determinadas reacciones de reducción.
2. Soporte: Mejora del rendimiento de los catalizadores
[1]
Los soportes son materiales utilizados para dispersar metales preciosos en la superficie del catalizador, comúnmente utilizados en catalizadores heterogéneos. La función principal de los soportes es proporcionar una elevada área superficial para soportar la dispersión de metales preciosos, estabilizando al mismo tiempo la actividad del catalizador.
--Óxidos porosos
Los óxidos porosos como la alúmina, la sílice y la titania se valoran por su elevada superficie y estabilidad, lo que los hace ideales para dispersar metales preciosos.
- Alúmina (Al₂O₃): Muy utilizada por su gran superficie (100-300 m²/g) y su estabilidad en procesos de alta temperatura como la hidrogenación y el reformado.
- Sílice (SiO₂): Elegido por su inercia y estabilidad térmica (200-600 m²/g), adecuado para reacciones de oxidación y craqueo catalítico.
- Titania (TiO₂): Conocido por sus propiedades fotocatalíticas, utilizado en procesos activados por luz y control de emisiones en aplicaciones de automoción.
--Soportes de carbono
Los soportes de carbono, incluidos el negro de carbón y el carbón activado, son esenciales en aplicaciones electroquímicas debido a su conductividad y gran superficie.
- Negro de humo: Proporciona una conductividad excelente, utilizada habitualmente en pilas de combustible, donde el platino sobre negro de humo (Pt/C) desempeña un papel clave en la reducción del oxígeno.
- Carbón activado: con una superficie excepcionalmente alta (500-1500 m²/g), es ideal para procesos de adsorción y filtración, y favorece eficazmente reacciones como la hidrogenación.
--Óxidos metálicos
Los óxidos metálicos, como la ceria y la circonia, ofrecen propiedades redox únicas que mejoran la interacción con los metales preciosos y aumentan la eficacia catalítica.
- Ceria (CeO₂): Eficaz en reacciones de oxidación-reducción, especialmente en catalizadores de automoción, gracias a su capacidad de almacenamiento de oxígeno.
- Circonio (ZrO₂): Conocida por su estabilidad térmica y robustez en condiciones duras, se utiliza habitualmente en procesos de isomerización a alta temperatura.
1. Ligandos: Ajuste de las propiedades catalíticas
Los ligandos son moléculas o iones que forman enlaces de coordinación con el centro del metal precioso y se utilizan principalmente en catalizadores homogéneos. La estructura y las propiedades de los ligandos influyen directamente en la actividad, selectividad y estabilidad del catalizador.
Estos son los tipos de ligandos más comunes:
- Ligandos de fosfina: Los compuestos como la trifenilfosfina (PPh₃) se utilizan ampliamente en reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio, donde regulan la selectividad y la velocidad de la reacción.
- Ligandos basados en nitrógeno: Ligandos como la piridina y la bipiridina pueden ajustar la densidad electrónica de los metales preciosos, influyendo en la actividad y selectividad de la reacción catalítica.
- Ligandos quelantes: Ligandos como el EDTA pueden formar quelatos estables con metales preciosos, mejorando la estabilidad del catalizador, especialmente en reacciones orgánicas complejas.
Factores que influyen en el rendimiento de los catalizadores
El rendimiento de los catalizadores de metales preciosos viene determinado por varios factores asociados a los sustratos, soportes y ligandos.
- Superficie y porosidad: El área superficial y la porosidad de los sustratos y soportes influyen directamente en la dispersión de los metales preciosos y en la disponibilidad de sitios activos.
- Estabilidad química: La estabilidad química de los soportes y ligandos determina la durabilidad del catalizador en entornos extremos, como altas temperaturas o condiciones ácidas o alcalinas fuertes.
- Efectos electrónicos y entorno de coordinación: Las propiedades electrónicas y el entorno de coordinación proporcionados por los ligandos pueden afectar en gran medida a las vías de reacción y a la selectividad del catalizador.
Adaptación de catalizadores a aplicaciones industriales específicas
La elección de las combinaciones de sustrato, soporte y ligando suele venir determinada por los requisitos específicos de las distintas aplicaciones industriales. Estos materiales deben seleccionarse cuidadosamente para que coincidan con las condiciones de reacción y los resultados deseados.
Por ejemplo
- Reacciones dehidrogenación: Los catalizadores con soporte de alúmina se utilizan mucho en hidrogenación por su elevada superficie y resistencia mecánica.
- Pilas de combustible: Los catalizadores de metales preciosos soportados por carbono son esenciales en las pilas de combustible, donde se requiere alta conductividad y estabilidad química.
- Síntesis farmacéutica: Los catalizadores modificados con ligandos se emplean a menudo en síntesis farmacéutica para lograr una alta selectividad y eficacia en reacciones orgánicas complejas.
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Aplicación |
Componente del catalizador |
Materiales clave |
|
Hidrogenación Reacciones |
Sustrato |
Alúmina (Al₂O₃) |
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Sustrato |
Sílice (SiO₂) |
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Pilas de combustible |
Soporte |
Negro de humo (Pt/C) |
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Soporte |
Grafeno |
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Farmacéutico Síntesis |
Ligando |
modificado con fosfina Paladio (Pd/PPh₃) |
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Ligando |
Ligandos quirales (por ejemplo, BINAP) |
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Oxidación Reacciones |
Soporte |
Ceria (CeO₂) |
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Soporte |
Titania (TiO₂) |
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Reformado e |
Soporte |
Circonio (ZrO₂) |
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Sustrato |
Alúmina (Al₂O₃) |
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Polimerización |
Soporte |
Ziegler-Natta (TiCl₄/MgCl₂) |
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Soporte |
Metaloceno (Sílice/Alúmina con soporte) |
Para más casos y ejemplos, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).
Lectura relacionada: Tipos de reacción comunes de los catalizadores homogéneos de metales preciosos
Conclusiones:
La selección de sustratos, soportes y ligandos adecuados es crucial para optimizar el rendimiento de los catalizadores de metales preciosos. Eligiendo cuidadosamente estos materiales, es posible adaptar las propiedades del catalizador para satisfacer los requisitos específicos de diferentes aplicaciones industriales, mejorando así la eficiencia y prolongando la vida útil del catalizador.
Referencias:
[1] Hossain, Shaikh. (2018). Síntesis y estudio cinético de catalizadores de CuO soportados por CeO2 y SiO2 para la oxidación de CO. 10.13140/RG.2.2.31499.80165.
