Escuela Colombiana de Catálisis

Laboratorio CarboCat, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Concepción, Chile
*Autor de correspondencia: romeljimenez@udec.cl

Palabras Claves: mecanismo de reacción, modelo cinético, mediciones isotópicas y espectroscópicas.

El curso apunta a profundizar en la comprensión de los principios fisicoquímicos involucrados en las reacciones catalizadas por superficies sólidas, para lo cual es fundamental el diseño apropiado de procedimientos experimentales que permita la obtención de datos cinéticos rigurosos, en ausencia de limitaciones de transporte y lejos del equilibrio termodinámico. Se aborda la interpretación de mediciones cinéticas, isotópicas y espectroscópicas junto con la caracterizaciones estructural y funcional de catalizadores, especialmente en condiciones de reacción (mediciones in-situ y operando) para proponer secuencia de pasos elementales (mecanismos de reacción) que deriven en modelos cinéticos capaces de representar la reactividad y selectividad de los sistemas reactivos en estudio. Se describen las suposiciones involucradas en el proceso de derivación de los modelos cinéticos y se discute su consistencia a través del significado físico de los parámetros de la expresión cinética, con base en la teoría del estado de transición y apoyo, en algunos casos, en cálculos teóricos.

1. M. Albert Vannice, Kinetics of Catalytic Reactions, Springer Science+Buisness Media, Inc. (2005).
2. Chorkendorff I., Niemantsverdriet J. W., “Concepts of Modern Catalysis and Kinetics”, John Wiley & Sons, USA, 2003. ISBN: 3527285814.
3. Scott Fogler, H., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, 4ª Ed., Prentice-Hall International Inc., U.S.A., 2008. ISBN: 9789702611981.
4. Michel Boudart, “Kinetics of Chemical Processes”, Butterworth-Heinemann series in Chemical Engineering, USA, 1991. ISBN: 0750690062.
5. Publicaciones en revistas de corriente principal (Catálisis Heterogénea):

Grupo Catálisis Ambiental, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Antioquia, Colombia
aida.villa@udea.edu.co

Palabras Claves: reactor, estudio cinético, velocidad de reacción, cinética intrínseca, catálisis.

El objetivo principal de la recopilación y procesamiento de datos cinéticos normalmente es la evaluación de la ecuación cinética, es decir, la relación según la cual la velocidad de reacción depende de la temperatura y la composición. Para determinar la velocidad de producción neta, se observa el cambio en la concentración en el tiempo o en respuesta a variables como la composición química, el flujo volumétrico o la temperatura. Esta velocidad se puede expresar en función de la masa del catalizador, el área superficial del catalizador o el número total de sitios activos presentes en el volumen de reacción. Los objetivos de las mediciones cinéticas pueden ser: comparar catalizadores, caracterizar cinéticamente los materiales activos, describir y predecir el comportamiento de reactores y procesos catalíticos. La cinética de reacciones catalíticas heterogéneas es indispensable en el estudio de la catálisis y contribuyen esencialmente a la elucidación del comportamiento del catalizador. La cinética química intrínseca se obtiene cuando la velocidad de reacción no se afecta por los fenómenos de transporte de masa y calor, es decir, cuando las escalas de tiempo en las que se produce la transferencia de masa y calor son mucho mayores que las de la reacción química. Para asegurar que la actividad medida refleje la cinética intrínseca de la reacción que se produce en la superficie del catalizador, se pueden utilizar varios criterios diagnósticos, como el criterio de Weisz-Prater, criterio de Mears, criterio de Bischoff. Cuando tales efectos no puedan excluirse, las propiedades cinéticas se describirán como aparentes. En el curso se presentarán pautas de buenas prácticas para llevar a cabo un estudio cinético, se compararán varios reactores de laboratorio con sus ventajas y desventajas, se analizarán los fenómenos de transporte debido al flujo, el catalizador y la geometría del reactor; se presentarán criterios para asegurar la ausencia de problemas de transferencia de masa y calor.

1. Thomas Bligaard, R. Morris Bullock, Charles T. Campbell, Jingguang G. Chen, Bruce C. Gates, Raymond J. Gorte, Christopher W. Jones, William D. Jones, John R. Kitchin, and Susannah L. Scott. ACS Catal. 6, 2590−2602 (2016)
2. Hartmann, M., Machoke, A.G., Schwieger, W. Soc. Rev. 45, 3313-3330 (2016).
3. Santacesaria, E., Tesser, R. Kinetics of Heterogeneous Reactions and Related Mechanisms. In: The Chemical Reactor from Laboratory to Industrial Plant. Springer, Cham., 2018. https://doi.org/10.1007/978-3-319-97439-2_5
4. Zhang, M., Wang, M., Xu, B., Ma, D. Joule 3, 2871–2883 (2019).
5. Bhan, A., Delgass, W.N. Journal of Catalysis 405, 419–429 (2022).
6. Petrov, L. (2002). Problems and Challenges About Accelerated Testing of the Catalytic Activity of Catalysts. In: Derouane, E.G., Parmon, V., Lemos, F., Ribeiro, F.R. (eds) Principles and Methods for Accelerated Catalyst Design and Testing. NATO Science Series, vol 69, pp 13–69. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0554-8_2
7. Dautzenberg, F. M. "Ten guidelines for catalyst testing". Bradley, S.A., Gattuso, M.J., Bertolacini, R.J. Characterization and Catalyst Development, Chapter 11, 99-119. ACS Symposium Series, Vol. 411, 1989.
8. Le Page, J. F. Applied Heterogeneous Catalysis: Design, Manufacture, Use of Solid Catalysts. Technip, 1987.

Micromeritics Instruments Corporation, Norcross, GA 30093, EEUU

Resumen
La ciencia de la catálisis tiene un impacto directo en la economía mundial y el entorno energético que afecta positivamente el ecosistema ambiental de nuestro universo. Cualquier catalizador, antes de ser probado en una reacción, debe someterse a un protocolo de caracterización específico para simular su comportamiento en condiciones de reacción, así como el estudio que ellas nos ofrece para determinar las causas de desactivación del catalizador.

Se conocen muchas técnicas de caracterización que normalmente se emplean en catálisis, pero en este estudio, se mencionarán dos técnicas básicas que serán clasificadas en dos categorías: La técnica de fisisorción, por una parte, nos ofrece un amplio conocimiento de la textura del sólido, es decir, su área específica, su tamaño de poro y su volumen total de poros, que son propiedades fundamentales del soporte que deben ser conocidas con la finalidad de que dicho soporte sea utilizado en la preparación del catalizador, y por otra parte, la técnica de quimisorción, que a su vez permite el estudio del papel que juega el soporte en la dispersión y estabilización de la fase activa. También existe la técnica de pulso que permite la titulación de la fase activa con la finalidad de determinar la dispersión de la misma, es decir, la cuantificación de los sitios de reacción que serán accesibles a los reactantes. Cabe mencionar que, a mayor dispersión de la fase activa, mayor sería la actividad y selectividad del catalizador.

Por lo tanto, el curso que se impartirá en la escuela del Simposio y tratará de presentar algunas de estas técnicas en detalles con sus respectivos ejemplos y por supuesto, se responderá a alguna preguntas o inquietudes que puedan tener los asistentes.