Memoria para optar al título de Químico / Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta enero de 2017 / Se sintetizó un material adsorbente basado en óxidos de manganeso (MnO2) con propiedades magnéticas para su empleo en la remoción de algunos contaminantes inorgánicos comunes presentes en los drenajes ácidos de mina en Chile. El adsorbente fue preparado en base a magnetita (Fe3O4) recubierto con MnO2, mediante un método de precipitación oxidativa tanto en medio básico como en medio ácido, y utilizando diferentes proporciones de MnO2:Fe3O4. La capacidad de adsorción del compósito preparado en medio básico resultó ser superior, obteniéndose rendimientos de síntesis sobre el 93%, preparación que no involucra evolución de gases ni requiere energía térmica, siendo este adsorbente así sintetizado químicamente más estable. El compósito adsorbente fue caracterizado química, física y magnéticamente. Las imágenes SEM revelan que estaría compuesto de estructuras muy pequeñas de forma esférica, con formación de aglomerados de partículas de tamaño inferior a 1 μm. Las micrografías TEM indicaron que el tamaño promedio de las partículas varían entre los 6 y 9 nm. Los análisis de porosimetría BET señalan que el adsorbente posee un área superficial del orden de 100 m2/g o levemente inferiores, disponiéndose así de un número importante de sitios activos para el proceso de adsorción. Análisis mediante difracción de rayos X señalaron que el compósito consta de un núcleo cristalino de magnetita, recubierto por capas nanométricas de MnO2 amorfas. El análisis de magnetismo demostró que las nanopartículas presentan características de ser superparamagnéticas. Se realizaron pruebas preliminares de adsorción con soluciones de Cu+2,Cd+2,Zn+2 y Pb+2, estableciéndose que la adsorción aumenta a medida que aumenta el pH, hecho coherente con el potencial zeta medido para el adsorbente. Un modelo cinético de adsorción de pseudo-segundo-orden ajustó muy bien los datos experimentales observados. Se concluye también, que se requiere de una fuerza iónica mínima en la fase acuosa, para asegurar una adsorción suficiente del metal / In this work was synthesized a sorbent material based on MnO2 which presents magnetics properties to be used for removing some common inorganic pollutants existent in samples of Chilean acidic mine. The sorbent was prepared using magnetite (Fe3O4) covered with MnO2, using oxidative precipitation methods, one in acid medium, the other under basic conditions, using different MnO2:Fe3O4 proportions. The sorption capacity of the composite synthesized in basic medium was higher being achieved a synthesis yield around 93%. This synthesis method is better because does not present gas evolution neither thermal energy is requested, being the sorbent so prepared more chemically stable. The sorbent was chemical, physical and magnetically characterized. SEM micrographs show that the material would be comprised of very tiny spherical structures with particles agglomeration whose size is less than 1 μm. TEM analysis indicated that the average particle size varies between 6 and 9 nm. BET porosimetry analysis pointed out that sorbent has a surface area around 100 m2/g or slightly lower, comprising this way an important number of active sites for the sorption process. DRX analysis showed that the composite consists of a magnetite crystalline nucleus covered by nanometric layers of amorphous MnO2. Measurements of magnetic saturation demonstrated that the nanoparticles have superparamagnetic characteristics. Preliminary sorption tests were carried out using aqueous solutions containing Cu2+,Cd2+,Zn2+ and Pb2+ ions, being stablished that the sorption of metals increases with the augment of the solutions pH, which is coherent with the zeta potential values measured for the sorbent. A pseudo-second-order sorption kinetics model fitted well the observed experimental data. It was also concluded that a minimum ionic strength is required in the aqueous phase to ensure an adequate metal sorption / Fondecyt

[EN] Throughout this Thesis it has been proposed various catalysts promoted with Ni or Co for the production of hydrogen from ethanol reforming. It has been studied their synthesis, physicochemical properties and catalytic behavior in order to find the most active, selective and stable catalysts. In Chapter 3 is presented the study of commercial zeolite Y and Mordenite "mesoporosed" and exchanged with Na. The use of mesoporous zeolites as support has allowed to prepare ethanol reforming catalysts with high activity, high selectivity to H2 and low selectivities to CO and CH4. Besides these commercial zeolites have been also prepared and studied the delaminated zeolites promoted with Ni or Co. The catalysts prepared with these zeolites showed high activity compared to a reference sample prepared with amorphous silica as support. In Chapter 4 are shown the results obtained in the study of catalysts based on LDH-Zn promoted with different amounts of Ni and Co. Among them, 20CoHT showed the best results. However, this catalyst exhibited a large coke deposition. In order to reduce the high production of coke a new formulation was prepared incorporating La. The addition of La decreased significantly the coke deposition and increased slightly the reducibility of Co. These improvements led to a new formulation with high reactivity, selectivity and stability. In Chapter 5 it has been prepared and studied catalysts based on structured manganese oxides (SMO) promoted with Ni and Co. The SMO prepared in this Thesis have been based on birnessite-BIR and todorokite-TOD, with laminar and microporous structure, respectively. All SMO studied have shown high activity and selectivity to H2, with low yields of CO and CH4. Nevertheless, the best results were obtained with Co-TOD sample with high activity and selectivity to H2, and the lowest selectivities to CO, CH4 and byproducts. In Chapter 6 the use of natural sepiolite is presented as support of Ni and Co. In this chapter it has been studied the influence of two different Ni and Co incorporation methods on the catalytic performance. It has been found that the precipitation method allows the formation of metal particles of Ni and Co significantly smaller than the impregnation method, leading to more active catalysts in the reforming of ethanol. The catalyst Co-Sep produced the highest concentrations of H2 and lowest concentrations of undesired products. Finally, in Chapter 7, it has been selected two catalysts in order to study their stability and influence of pelletization process in their catalytic activity. The catalysts selected were those that presented the best balance activity-selectivity and simplicity of the preparation method. These catalysts have been CoLaHT and Co-Sep. Initially the catalytic behavior of these materials in restored vinasse (alcoholic wine industry waste) was studied. The sepiolite-based catalysts (Co-Sep) presented excellent results, maintaining its activity for more than 160 hours of reaction. This catalyst was also studied in the reforming of other alcoholic residue with high sulfur content (440 ppm). In this case the Co-Sep catalyst was deactivated from the beginning of the reaction. This deactivation is due to the poisoning of the metallic particles of Co with sulfur. Finally, this same catalyst was studied after its conformation. The pelletized catalyst exhibited lower catalytic activity and selectivity than its corresponding powdered material. This poor result seems to be related with the calcination temperature used in the conformed process (1573 K), which leads to a high sinterization of metallic Co particles. In order to improve the conformation process, it was carried out optimization studies, which allowed to prepare new conformed Co-Sep and CoLaHT samples with higher catalytic activity and selectivity than their corresponding powdered material. / [ES] A lo largo de esta Tesis se han propuesto diferentes catalizadores promovidos con Ni o Co para la producción de hidrógeno a partir del reformado de etanol. Se ha estudiado su síntesis, propiedades físico-químicas y comportamiento catalítico con el fin de encontrar los catalizadores más activos, selectivos y estables. En el Cap. 3 se presenta el estudio de zeolitas comerciales Y y Mordenita "mesoporizadas" e intercambiadas con Na. La utilización de zeolitas mesoporizadas como soporte lleva a la preparación de catalizadores de reformado de etanol con alta actividad, elevada selectividad a H2 y bajas selectividades a CO y CH4. Junto a estas zeolitas comerciales también se ha preparado y estudiado las zeolitas deslaminadas promovidas con Ni o Co. Los catalizadores preparados con estas zeolitas también presentaron una elevada actividad comparada con una muestra de referencia preparada con sílice amorfa como soporte. En el Cap. 4 se presentan los resultados obtenidos en el estudio de catalizadores basados en HDL-Zn promovidos con diferentes cantidades de Ni y Co. Entre todos los catalizadores el 20CoHT es el que presenta los mejores resultados. No obstante, con el fin de disminuir la elevada producción de coque que presenta esta muestra se preparó una nueva formulación con La. La adición de La mejoró considerablemente la deposición de coque y ligeramente la reducibilidad del Co, lo que llevó a que esta nueva formulación presentara una mayor actividad, selectividad y estabilidad. En el Cap. 5 se han preparado y estudiado catalizadores basados en óxidos de manganeso estructurados (OME) promovidos con Ni y Co. Los OME que se han preparado poseen estructura laminar y microporosa. Todos los OME estudiados presentan una elevada actividad y selectividad a H2, con bajas producciones de CO y CH4. Destacan los resultados del Co-TOD, ya que además de presentar una elevada actividad y selectividad a H2, presenta las selectividades más bajas a CO, CH4 y subproductos. En el Cap. 6 se presenta la utilización de la sepiolita natural como soporte de Ni y Co. Se ha estudiado la influencia del método de incorporación de estos metales sobre su actividad. Se ha comprobado que el método de precipitación permite la formación de partículas metálicas de Ni y Co significativamente más pequeñas, lo que lleva a obtener catalizadores más activos en el reformado de etanol. Entre todos los catalizadores preparados destaca la muestra Co-Sep, la cual produce elevadas concentraciones de H2 y bajas concentraciones de productos no deseados. Finalmente, en el Cap. 7, se han seleccionado dos catalizadores con el fin de estudiar su estabilidad y conformado como pasos previos al escalado y aplicación industrial de los mismos. Estos catalizadores han sido CoLaHT y Co-Sep. De los dos catalizadores el basado en sepiolita (Co-Sep) presentó excelentes resultados, manteniendo su actividad durante más de 160 horas de reacción. Este catalizador también se estudió en el reformado de otro residuo alcohólico procedente del destilado de vinazas que posee un alto contenido en azufre. En este caso el catalizador Co-Sep se desactivo desde el inicio de la reacción. Esta desactivación se debe al envenenamiento de las partículas metálicas de Co con el azufre. Finalmente se estudió este mismo catalizador tras someterse a un proceso de conformado, observando que su actividad disminuye rápidamente durante el reformado de los residuos procedentes del destilado de vinazas. Este mal resultado se ha visto que está relacionado además de con el azufre presente en el residuo, con la temperatura de calcinación utilizada en el proceso de conformado, que lleva a la sinterización del Co en partículas metálicas de gran tamaño. En una etapa posterior se ha llevado a cabo una optimización del proceso de conformado consiguiendo muestras conformadas con una actividad similar para la muestra Co-Sep, e incluso superior para el material CoLaHT, a los cata / [CAT] Al llarg d'esta Tesi s'han proposat diferents catalitzadors promoguts amb Ni o Co per a la producció d'hidrogen a partir del reformat d'etanol. S'ha estudiat la seua síntesi, propietats fisicoquímiques i comportament catalític per tal de trobar els catalitzadors més actius, selectius i estables. En el capítol 3 es presenta l'estudi de zeolites comercials Y i Mordenita "mesoporitzades" i intercanviades amb Na. La utilització de zeolites mesoporitzades com a suport porta a la preparació de catalitzadors de reformat d'etanol amb alta activitat, elevada selectivitat a H2 i baixes selectivitats a CO i CH4. Al costat d'estes zeolites comercials també s'ha preparat i estudiat les zeolites deslaminades promogudes amb Ni o Co. Els catalitzadors preparats amb estes zeolites també van presentar una elevada activitat comparada amb una mostra de referència preparada amb sílice amorfa com a suport. En el capítol 4 es presenten els resultats obtinguts en l'estudi de catalitzadors basats en HDL de Zn promoguts amb diferents quantitats de Ni i Co. Entre tots els catalitzadors el 20CoHT és el que presenta els millors resultats. No obstant això, per tal de disminuir l'elevada producció de coc que presenta aquesta mostra es va preparar una nova formulació amb La. L'addició de La al catalitzador 20CoHT va millorar considerablement la deposició de coc i lleugerament la reductibilitat del Co, el que va portar al fet que aquesta nova formulació presentés una major activitat, selectivitat i estabilitat. En el capítol 5 s'han preparat i estudiat catalitzadors basats en òxids de manganès estructurats (OME) promoguts amb Ni i Co. Els OME que s'han preparat posseeixen estructura laminar i microporosa. Tots els OME estudiats presenten una elevada activitat i selectivitat a H2, amb baixes produccions de CO i CH4. Destaquen els resultats del Co-TOD, ja que a més de presentar una elevada activitat i selectivitat a H2, presenta les selectivitats més baixes a CO, CH4 i subproductes. En el capítol 6 es presenta la utilització de la sepiolita natural com a suport de Ni i Co. En aquest capítol s'ha estudiat la influència del mètode d'incorporació d'aquests metalls sobre la seua activitat catalítica. S'ha comprovat que el mètode de precipitació permet la formació de partícules metàl·liques de Ni i Co significativament més xicotetes que el mètode d'impregnació, el que porta a obtenir catalitzadors més actius en el reformat d'etanol. Entre tots catalitzadors preparats destaca la mostra Co-Sep, la qual produeix elevades concentracions d'hidrogen i baixes concentracions de productes no desitjats. Finalment, al capítol 7, s'han seleccionat dos catalitzadors amb la finalitat d'estudiar la seua estabilitat i conformat com a passos previs a l'escalat i aplicació industrial dels mateixos. Aquests catalitzadors han estat CoLaHT i Co-Sep. Dels dos catalitzadors el basat en sepiolita (Co-Sep) va presentar excel·lents resultats, mantenint la seua activitat durant més de 160 hores de reacció. Aquest catalitzador també es va estudiar en el reformat d'un altre residu alcohòlic que posseeix un alt contingut en sofre. En aquest cas el catalitzador Co-Sep es va desactivar des de l'inici de la reacció. Aquesta desactivació es deu a l'enverinament de les partícules metàl·liques de Co amb el sofre. Finalment es va estudiar aquest mateix catalitzador després de sotmetre-ho a un procés de conformat, observant que la seua activitat disminueix ràpidament durant el reformat dels residus. Aquest mal resultat s'ha vist que està relacionat a més de amb el sofre present en el residu, amb la temperatura de calcinació utilitzada en el procés de conformat, que porta a la sinterització del Co a partícules metàl·liques de grans dimensions. En una etapa posterior s'ha dut a terme una optimització del procés de conformat aconseguint mostres conformades amb una activitat similar per a la mostra Co-Sep, i fins i tot superior per al mater / Da Costa Serra, JF. (2016). Desarrollo de nuevos catalizadores de reformado de bioetanol para la producción sostenible de H2 [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63232 / TESIS

En la actualidad, las baterías recargables líderes en el mercado tanto para dispositivos electrónicos como para vehículos eléctricos son las baterías de ion-Li. Estas baterías poseen mayor densidad de energía y mayor voltaje de celda que otras baterías recargables comerciales como, por ejemplo, la de níquel-hidruro metálico, la de plomo-ácido y la de níquel-cadmio (1-3). Sin embargo, las baterías de ion-Li presentan dos inconvenientes principales: el litio se encuentra en una concentración relativamente baja en la corteza terrestre y sus yacimientos se encuentran localizados en algunas zonas, principalmente en América del Sur (4,5). Por ello, es importante investigar en otra clase de baterías que estén compuestas por elementos más abundantes en la corteza terrestre, más fáciles de extraer y, por lo tanto, más baratos que el litio. Las alternativas a las baterías de litio sobre las que se ha investigado en esta tesis doctoral son las baterías multivalentes de magnesio y de calcio. La investigación se ha centrado en la búsqueda de materiales catódicos capaces de proporcionar capacidades y retenciones de capacidad lo suficientemente buenas como para poder considerar un escalado de la batería. El tipo de materiales en el que se ha centrado la investigación es el constituido por los óxidos de manganeso, ya que estos compuestos presentan numerosos tipos de estructuras cristalinas y proporcionan potenciales de oxidación-reducción elevados. Además, estos óxidos presentan ventajas económicas y medioambientales. De hecho, el manganeso es uno de los metales de transición más abundantes de la corteza terrestre y no es tóxico. Los materiales en los que hemos centrado la investigación han sido el Mn2O3, MgMn2O4, Mg2MnO4, H2xMg2-xMnO4 y la marokita de baja cristalinidad. La síntesis de los materiales MgMn2O4, Mg2MnO4, H2xMg2-xMnO4 y la marokita se ha conseguido mediante una variante del método sol-gel, el método Pechini (6). En el caso del Mn2O3, el método empleado ha sido el baño químico. En los materiales Mn2O3, MgMn2O4, Mg2MnO4, H2xMg2-xMnO4 y en la marokita de baja cristalinidad se ha demostrado la inserción-desinserción de magnesio, y en los materiales Mn2O3, MgMn2O4, H2xMg2-xMnO4 y en la marokita de baja cristalinidad, la inserción-desinserción de calcio. El estudio de la inserción-desinserción de los cationes metálicos y sus implicaciones a nivel estructural y morfológico se ha realizado empleando diferentes técnicas: la difracción de rayos X, técnicas microscópicas como la microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) y la de transmisión (TEM) y la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS). Además, para mejorar la caracterización se ha empleado la espectroscopía de emisión por plasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES), el análisis termogravimétrico y la espectroscopía infrarroja. Las técnicas de caracterización electroquímica utilizadas han sido la voltametría cíclica, la cronopotenciometría galvanostática (carga-descarga) y la espectroscopía de impedancia electroquímica. Además de las técnicas convencionales, se ha prestado especial atención a las técnicas acopladas de espectroelectroquímica Raman y UV-vis. La espectroelectroquímica Raman la hemos empleado para observar la evolución estructural de los materiales al someterlos a ciclos de carga-descarga y la espectroelectroquímica UV-vis para observar la evolución del estado de oxidación del manganeso en el Mn2O3 durante barridos voltamétricos, aprovechando que los óxidos de manganeso son materiales electrocrómicos. En términos generales, la mayoría de los materiales estudiados sufren un proceso de activación en los primeros ciclos de carga-descarga en medio acuoso. Este proceso de activación está relacionado con la aparición de cambios estructurales y morfológicos de las distintas estructuras cuando se someten a ciclos sucesivos en medio acuoso. Las partículas de los materiales evolucionan hacia láminas cuya morfología depende ligeramente del electrolito empleado. Una vez finalizado el proceso de activación, la capacidad del material comienza a disminuir debido a la disolución del material activo, el aumento de tamaño de las láminas, la desaparición progresiva de las rutas de difusión de los iones a través de la estructura del material electródico y a la posible pérdida de conexión eléctrica entre el depósito y el sustrato. Los materiales que proporcionan mejores resultados en términos de capacidad y retención de la capacidad para la inserción-desinserción de magnesio en medio acuoso son, respectivamente, el H2xMg2-xMnO4 y la marokita de bajo grado de cristalinidad. La capacidad máxima obtenida a 263 mA·g-1 para la marokita es de 100 mA·h·g-1 y para el material H2xMg2-xMnO4 de 177 mA·h·g-1. Los valores de capacidad y retención de la capacidad de los diferentes materiales estudiados para las baterías de calcio en medio acuoso son generalmente inferiores a los valores que proporcionan los materiales para las baterías de magnesio. La marokita de baja cristalinidad proporciona una capacidad máxima de 108.5 mA·h·g-1 y una retención de la capacidad en el ciclo 30 del 67% a 263 mA·g-1. El material H2xMg2-xMnO4 se ha estudiado en medio orgánico húmedo, además de en medio acuoso. El electrolito empleado fue 0.5 M Mg(TFSI)2/DME. Los resultados obtenidos de capacidad y ciclabilidad son inferiores a los resultados proporcionados por el material en medio acuoso. Además, no se observa una inserción eficiente del Mg en la estructura mediante XPS ni un cambio morfológico de las partículas con el ciclado electroquímico en este electrolito. Los resultados obtenidos en los materiales estudiados en esta tesis doctoral en términos de capacidad, retención de la capacidad y cinética de reacción, son similares o incluso superiores a los resultados reportados en bibliografía para materiales catódicos en el contexto de las baterías de magnesio y de calcio.