Catalizadores soportados a base de metales no nobles altamente dispersos para la obtención de gamma-butirolactona a partir de anhídrido maleico

Abstract

Por hidrogenación de anhídrido maleico puede producirse gamma-butirolactona, que posee una amplia variedad de usos en la industria química. En trabajos previos, con catalizadores de metales no-nobles preparados por impregnación a humedad incipiente, se logró obtener gamma-butirolactona en fase gas y a presión atmosférica, pero se requirieron temperaturas elevadas. Con el objetivo de lograr una alta actividad y selectividad a gamma-butirolactona a menores temperaturas, en esta tesis se estudiaron catalizadores de metales no-nobles, preparados por precipitación-deposición a pH constante. Se prepararon y caracterizaron muestras monometálicas de cobre, cobalto y níquel sobre sílice, y de níquel sobre sílice-alúmina. Se determinó que utilizando precipitación-deposición se forman hidroxisilicatos, diferentes a los óxidos que se obtienen utilizando impregnación, lo que permite obtener por reducción, una fase metálica compuesta por nanopartículas distribuidas homogéneamente sobre la superficie del soporte. El níquel fue el metal más activo, selectivo y estable de los tres. A su vez, al soportarlo sobre sílice-alúmina mejora notablemente la actividad y selectividad del catalizador, debido a su fase metálica superficialmente diferente y a la presencia de sitios duales metal-ácido que producen selectivamente gamma-butirolactona. Este catalizador se desactivó parcialmente hasta alcanzar un estado estacionario, logrando rendimientos finales de hasta el 81 % a 195 ºC, contra un 55 % a 220 ºC para el mejor monometálico impregnado. Por último se estudió la adición de cobre a este catalizador. Adicionando bajas proporciones de este metal se logró disminuir la desactivación del catalizador y aumentar su actividad, hasta un óptimo observable a 170 ºC.

By hydrogenating maleic anhydride, gamma-butyrolactone can be obtained , which has a wide variety of applications in the chemical industry. Using non-noble metal catalysts prepared by incipient wetness impregnation, gamma-butyrolactone has been obtained in gas phase and at atmospheric pressure, nevertheless, high temperatures were necessary. In order to achieve high activities and selectivities to gamma-butyrolactone at milder temperatures, in this work non-noble metal catalysts prepared by constant pH precipitation-deposition were studied. Monometallic copper, cobalt and nickel on silica, and nickel on silica-alumina samples were prepared and characterized. In contrast with the metal oxides obtained by impregnation, the formation of hydroxysilicates was confirmed, which allowed the generation of a metallic phase comprised of homogeneously distributed nanoparticles. When catalytically tested, nickel was the most active, selective and stable of the three metals. In addition, using silica-alumina as support greatly enhances the activity and selectivity of the catalyst, due to differences in the metallic surface and to the presence of dual metal-acid sites which produce gamma-butyrolactone selectively. This catalyst showed partial deactivation, reaching a steady state with 81 % gamma-butyrolactone yield at 195 ºC, far greater than the best impregnated monometallic catalyst, which yielded 55 % gamma-butyrolactone at 220 ºC. By last, the addition of copper to this catalyst was studied. Adding small amounts of this metal, a diminution of catalyst deactivation was observed, along with an increase in its activity until reaching an optimum clearly noticeable at 170 ºC.