Aplicación de materiales nanoestructurados metal-orgánicos (MOFs) en procesos de adsorción y catálisis heterogénea

Abstract

El desarrollo de la Tesis Doctoral se centró en el estudio de dos familias de los MOFs (materiales nanoestructurados metal-orgánicos) como adsorbentes y catalizadores heterogéneos, previa síntesis y caracterización de los mismos para estudiar sus propiedades estructurales. Los seis materiales seleccionados fueron dos materiales comerciales (Basolite ®) y cuatro materiales sintetizados en el laboratorio (IRMOFs, los cuales tienen la misma estructura cúbica), y se caracterizan por ser ampliamente estudiados y ser fáciles de sintetizar. En el campo de adsorción, se llevaron a cabo estudios de materiales de pequeño tamaño molecular (H2, CO2 y CH4) mediante técnicas termogravimétricas, volumétricas y gravimétricas a diversas condiciones de presión y temperatura. Donde se comprobó que tanto la presencia de centros metálicos insaturados coordinativamente accesibles así como la presencia de grupos funcionales o mejores datos superficiales son parámetros relevantes para la capacidad de adsorción. También se estudió la regenerabilidad del adsorbente, tras un tratamiento térmico con un gas inerte y se compararon los datos obtenidos con los encontrados en la bibliografía. En último lugar, se realizó un estudio comparativo entre los tres gases de estudio mediante análisis termogravimétricos a 298 K y 0.1 MPa, donde la capacidad de adsorción siguió el orden: H2 > CO2 > CH4. Con el objetivo de mejorar la capacidad de adsorción de dichos materiales, se llevó a cabo un proceso de post-síntesis para introducir el 1 % peso de Pd en la estructura del MOF. Posteriormente, se realizaron los ensayos de caracterización para estudiar la influencia de Pd en la estructura y a continuación, se llevaron a cabo los ensayos de adsorción de H2 y CO2 mediante análisis termogravimétricos. Tan sólo dos materiales mejoraron la capacidad de adsorción de hidrógeno tras la incorporación de Pd, el Basolite C300 y el IRMOF-8. También se realizaron ensayos de adsorción para adsorbatos de mayor tamaño molecular. Dichos materiales fueron los compuestos orgánicos volátiles (COVs), seleccionando dieciocho compuestos, y los estudios se llevaron a cabo mediante cromatografía inversa de gases, estudiando así las propiedades termodinámicas y superficiales de los MOFs. En el caso de los MOFs comerciales, se llevó a cabo la validación de los datos obtenidos mediante IGC con la calorimetría de inmersión para tres adsorbatos de igual número de átomos de carbono. Respecto a la familia de los IRMOFs, se realizó un estudio sistemático de las propiedades termodinámicas de una selección de dieciocho COVs mediante IGC. El objetivo fue estudiar la influencia del tamaño de la cavidad de la estructura y la de la presencia del grupo funcional amino en el IRMOF-3. Donde tanto la capacidad como la entalpía de adsorción aumentan con el diámetro de la cavidad de la estructura del IRMOF. Asimismo, se llevaron a cabo estudios en el campo de la catálisis heterogénea. La reacción seleccionada fue la reacción de alquilación de benceno mediante cloruro de bencilo, dando como producto principal el difenilmetano, el cual es una alternativa a los bifenilos policlorados. Los catalizadores utilizados fueron los MOFs comerciales, los cuales tienen el ion Fe y el ion Cu en su estructura, ambos iones utilizados para esta reacción. También se llevaron a cabo experimentos con catalizadores homogéneos, FeCl3 y CuCl2 y se estudió la influencia de la temperatura de reacción (323 y 353 K). Se realizó un estudio de las constantes cinéticas asociadas a la reacción y en último lugar, se estudió la influencia de los reactivos sobre la morfología del catalizador.