Caracterización de catalizadores: Estudio IR de grupo OH en aluminosilicato

La caracterización de catalizadores es una fase crucial en la investigación y desarrollo de catalizadores. Con  la caracterización se busca conocer cuál es la identidad del catalizador, cómo está constituido en su seno y en su superficie y qué transformaciones sufre durante su uso en las reacciones químicas. Se puede asegurar que la caracterización de catalizadores constituye una parte integral en cualquier tipo de investigación y es de suma importancia en procesos industriales tales como la manufactura y preparación de catalizadores, el desarrollo de catalizadores resistentes a la desactivación y la activación y regeneración de catalizadores.

Mina de sal. Isla de Coche. Venezuela

Existen diferentes técnicas de caracterización útiles para conocer desde la composición global del sólido hasta la naturaleza de las fases, la composición superficial, el área específica, la forma y tamaño, la repartición, la estructura superficial, la porosidad, la reactividad superficial, la acidez, etc.

Determinar la acidez de un sólido proporciona una manera de identificar los centros activos ácidos para catalizadores tipo alúminas, aluminosilicatos y zeolitas.  Una de las técnicas más frecuentemente utilizada para distinguir la naturaleza y proporción de los diferentes sitios ácidos de estos materiales es la espectroscopía infrarroja, combinada con la técnica de adsorción de moléculas sonda de carácter básico como por ejemplo la piridina. Con esta técnica se puede diferenciar fácilmente en el espectro IR las bandas características de la piridina adsorbida sobre un centro Lewis (1460 cm^-1) o asociada a un centro Brönsted (1545 cm^-1). (1)

En un trabajo reportado por Góra-Marek y Datka (2), se investigaron las propiedades de los grupos hidroxilos acídicos y los sitios ácidos Lewis en aluminosilicatos mesoporosos amorfos. Este estudio se realizó mediante la técnica de espectroscopía infrarroja cuantitativa por adsorción de amonio y adsorción de CO a bajas temperaturas.   Los aluminosilicatos se sintetizaron mediante tres métodos. El aluminosilicato SA fue sintetizado vía complejo atrano. El HMCM-41 (Si/Al=10) fue obtenido mediante condiciones hidrotérmicas, de acuerdo a un procedimiento de síntesis típico. Y en el MCM-48 se generaron, luego de la síntesis, los sitios ácidos vía inserción de átomos de aluminio por tratamiento con solución de isopropóxido de aluminio en n-hexano.

Los estudios mediante esta técnica permitieron obtener información sobre la reactividad superficial e incluso sobre la cristalinidad de estos materiales sintetizados, a saber:

(1) Detección de grupos OH asociados al aluminosilicato mesoporoso

Además de la banda del grupo silanol a 3740 cm^-1, se observaron bandas débiles entre 3600 a 3610 cm^-1. La observación de estas bandas se atribuye a los grupos hidroxilos ácidos en aluminosilicatos no cristalinos (no presente en las zeolitas, por ejemplo).

También, según los autores del estudio, la intensidad de las bandas del grupo Si-(OH)-Al depende del método de síntesis empleado. Además, el orden de la intensidad de la banda está de acuerdo al número de sitios ácidos Brönsted, los cuales se determina por estudios de IR cuantitativos con adsorción de amoníaco.

(2) Dehidroxilación de materiales mesoporosos

La dehidroxilación, que consiste en la condensación de dos grupos hidroxilos con la formación de agua y un sitio acido Lewis, también puede seguirse mediante esta técnica. Góra-Marek y Datka (2) evidenciaron una hidroxilación parcial en los materiales mesoporosos estudiados, por la disminución de la intensidad de la banda del hidroxilo entre 3600 y 3610 cm^-1, lo cual es el resultado de la disminución de la concentración de los sitios ácidos Brönsted por la reacción de condensación.

(3) Grupos OH de moderada y alta acidez

Mediante experimentos de IR de adsorción de CO se puede obtener información sobre la heterogeneidad de los grupos OH en los materiales mesoporosos. La presencia de una banda relativamente débil entre 3400 – 3300 cm^-1 indica la interacción del grupo Si-(OH)-Al con el CO. Dos bandas adicionales se atribuyen al complejo OH---CO formado. Una a 160 cm^-1, que desaparece cuando el material se somete a altas temperaturas de activación, corresponde a sitios ácidos débiles. Y otra banda entre 200 – 300 cm^-1, la cual no desaparece al aumentar la temperatura, por lo que se puede considerar a estos sitios de mayor acidez que los otros.

Como se pudo observar en el trabajo de Góra-Marek y Datka, la técnica de espectrospía infrarroja es una herramienta útil, no sólo para identificar cualitativamente materiales tales como los aluminosilicatos, sino que proporciona una vía para estudiar cuantitativamente la cristalinidad y la reactividad de estos materiales. Además de ello, esta técnica resulta ventajosa porque es de fácil acceso y es relativamente sencilla de manipular.

Trabajos citados

1. Albella, J.M., y otros. Introducción a la ciencia de materiales. Tecnicas de preparación y caracterización. Madrid, España : Consejo Superior de Investigación Universitaria, 1993. 84-00-07343-6.

2. Góra-Marek, K. y Datka, J. IR studies of OH groups in mesoporous aluminosilicates. Applied Catalysis A: General 302 104-109, 2006.