SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE CATALIZADORES ...

X Congreso Nacional de Microscopía-Morelia
2010
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE CATALIZADORES
NANOESTRUCTURADOS Ni-Mo/NTC PARA LA REFORMACIÓN DE
CH4 CON H2S.
1 , J.M. Domínguez2 , C. Cortés1 , D. Molina1 ,A. Reyes3 , P. Flores2 B . Portales
INTRODUCCIÓN
1 Centro de Investigación e Innovación Tecnológica, IPN, México, D.F. 02250 , MEXICO.
2 Instituto Mexicano del Petróleo, México. D.F., 07730, MEXICO.
3 Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Madero, Tamps., 89440, MEXICO.
E-mail: ben_portales_mtz@hotmail.com
El ácido sulfhídrico (H2S) es un contaminante común en muchos pozos de gas natural del mundo. La presencia de
este contaminante hace que el gas natural no pueda ser transportado tal cual es extraído por los problemas de
corrosión que se pueden originar. Lo que obliga a las compañías a extraerlo de la corriente gaseosa, quedando como
un desperdicio y continua siendo un peligroso contaminante para el medio ambiente. Por otra parte el manejo de
dicho desecho se hace convirtiéndolo en azufre elemental, reduciendo su valor comercial y limitando sus
aplicaciones industriales. Se han producido alternativas para utilizar el H2S aumentando su valor comercial y
reduciendo su peligrosidad y toxicidad. Estos van desde procesos de conversión del gas ácido (H2S) a azufre y
buscando nuevas aplicaciones para este último, hasta reformación de metano (CH4) con el gas ácido para producción
de compuestos industrialmente más rentables y menos dañinos, este proceso se hace mediante catálisis heterogenea.
METODOLOGÍA
La síntesis del catalizador se llevó a cabo mediante la impregnación de sales de níquel y molibdeno en solución en
una matriz de soporte por el método de humedad incipiente, el soporte utilizado fue SBA-16, que se escogió debido a
su alta área específica y su adecuado tamaño de poro. Una vez impregnados los precursores (Ni(NO3)2.6H2O y
(NH4)6Mo7O24.4.H2O) para tener un 5% en peso con respecto al soporte y con una relación Ni:Mo de 1:1, el material
resultante se llevó a reacción en una atmosfera de oxígeno a 550° por 4 horas, con el fin de obtener los óxidos
correspondientes por descomposición térmica. El paso siguiente fue hacerlos reaccionar con una mezcla de CH4/H2
con una rampa de 0.5°C/min hasta llegar a 700 °C, que se mantuvieron por 1 hora, en este proceso se obtienen los
nanotubos de carbono in situ (método de catalizador flotante). Se eliminó la matriz de sílice por medio de HF al 40%
en peso en solución acuosa, después se secaron los materiales a 80 °C por 24 horas. Se probaron en la reformación
de CH4 con H2S a 1000 °C en un sistema de reacción de flujo constante.
Las características estructurales y morfológicas de las muestras han sido obtenidas usando un microscopio
electrónico de transmisión (MET) Tecnai G 2 30 de FEI a 300 KV, el cual tiene adjuntado un cañón de emisión de
campo y una resolución máxima punto a punto de 0.23 nm. Las muestras para MET fueron obtenidas de la solución
homogénea de la muestra con alcohol isopropílico. Una gota de esta solución fue depositada en una rejilla de cobre
(400 mallas) con una película amorfa de carbón. La evaluación catalítica de los materiales se llevó a cabo en una
microplanta de evaluación catalítica para la reacción de metano con ácido sulfhídrico.
RESULTADOS
La figura 1a) muestra los nanotubos obtenidos por medio de la técnica de catalizador flotante, estos oscilan entre 30
y 50 nm de diámetro, su largo es de varias micras, además de poseer una pared con mayor espesor en comparación
con el diámetro interno. La figura 1b) muestra el patrón de difracción de rayos X del catalizador terminado, en dicho
patrón sobresale el pico característico del grafito en 29.5 en la escala de 2θ, aplicando la ley de Bragg se obtiene un
valor de d = 3.436 Å, que corresponde aproximadamente a la distancia medida en el acercamiento en la figura 2b), el
grafito en este difractograma presenta un doble pico, que corresponde a dos fases similares, la figura 2a) muestra la
pared de un nanotubo, que está conformada por una serie de láminas de grafito, constituyendo un arreglo en conos
anidados, la figura 3a) muestra una partícula que se encuentra alojada en el nanotubo, su distribución de planos es

X Congreso Nacional de Microscopía-Morelia
2010
diferente al medio que la rodea presentando una frontera marcada, la figura 3b) es un acercamiento de dicha
nanopartícula, que está compuesta por planos espaciados 2.305 Å, lo cual es muy similar a la distancia que
representa el pico principal de la fase Mo2C que equivale a una distancia de 2.286 Å. En la figura 4a) se muestran los
resultados de actividad catalítica del material, donde se observa que la conversión del reactivo limitante fue total. La
conversión de H2S fue en promedio de 57%, que estequiometricamente debe de ser el 50%, parte de dicho reactivo
se convirtió en azufre elemental, este no fue cuantificado para este estudio. La Figura 4b) muestra el rendimiento
estequiométrico porcentual de los productos obtenidos de la evaluación catalítica, sólo se obtuvo disulfuro de
carbono e hidrógeno por lo que el catalizador es altamente selectivo a los productos deseados. El rendimiento
porcentual a CS2 promedio es de 60%, el 40% restante de metano se convirtió a carbón elemental el cual se quedó
adherido a las paredes de reactor. La diferencia existente entre el CS2 y el H2, se debe en parte a que se formó ntetratriacontano
de acuerdo al patrón de difracción de rayos X (Figura 3.11) debido a la acción catalítica del
molibdeno con el CS2 formado, otra parte se convierte a carbón y azufre elementales.
.
CONCLUSIONES
Por medio de microscopia electrónica de transmisión es posible dilucidar la estructura y morfología de materiales
nanoestructurados, lo que abre la puerta a un diseño en más detalle. Utilizando la técnica descrita se pueden obtener
sistemas catalíticos en un solo paso, donde la fase activa final es también el catalizador para el crecimiento del
soporte, lo que da pie a una mejor dispersión y control sobre las dimensiones finales del mismo.
a)
Figura 1. a) Imagen de campo claro de los nanotubos obtenidos por la técnica descrita, usando Ni-Mo como
catalizadores, b) Difractograma de los mismo nanotubos obtenidos.
a)
b)
b)

X Congreso Nacional de Microscopía-Morelia
2010
Figura 2. a) Imagen de campo claro de un acercamiento de un nanotubo, donde se observa el arreglo de multipared,
b) ampliación de la imagen anterior donde se midió la distancia interplanar de la pared que coincide con el pico
característico del grafito que se puede observar en el difractograma de rayos X.
Figura 3. a) Imagen de campo claro de una nanopartícula incrustada en un nanotubo, b) ampliación de la imagen
anterior donde se midió la distancia entre planos que corresponde a la distancia del pico mayor de la fase de Mo2C.
Figura 4. a) Conversión porcentual de los reactivos, donde el limitante fue el metano, b) selectividad del catalizador
en la reformación del metano con gas ácido.
REFERENCIAS
a) b)
a)
[1] Cunping Huang and Ali T-Raissi, Journal of power sources, 175, (2008), 464-472.
[2] W. J. Thomas and Usman Ullah, Journal of Catalyst, 15, (1969), 342-354.
[3] Farhad Faraji, Imre Safarik and Otto P. Strausz, Ind. Eng. Chem. Res. 35, (1996), 3854-3860.
[4] J.R. Anderson, Y. F. Chang, K.C. Pratt and K. Foger, React. Kinet. Catal. Lett. 49, (1993), 261-269.
[5] Vasant R. Choudhary, Snil K. kinage and Tushar V. Choudhary, Science, 275, (1997), 1286-1288.
[6] Erek J. Erekson and Frank Q. Miao, IGT Project #61104, (1994), DOE/PC/92114-T3.
[7] Clarence D. Chang, United States Patent, Patent Number: 4,543,434, (1985).
[8] Scott Han and Robert E. Palermo, United States Patent, Patent Number: 4,864,074, (1989).
b)