Evaluación computacional de sistemas catalíticos activos y selectivos conformados por clústeres bimetálicos AuPd y AuPt soportados sobre superficies de anatasa para la oxidación de CO

El cambio climático, predicho por los científicos desde hace más de 50 años, está impactando directamente en nuestra sociedad (Morante-2020). El incremento de la temperatura del planeta producto de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), ha puesto en alerta al mundo para plantear una reducción en la producción de estos GEI, por medio de acuerdos firmados por muchos países (Klein-2022). En Colombia, el sector energético ocupa el segundo lugar entre los que más producen GEI (71,21 Mton de CO2 eq-2010) (Gobierno-2015), razón por la cual, se buscan alternativas de producir energía lo más limpias posibles (sin emisiones de GEI). Las celdas de combustible de membranas de intercambio protónico (PEMFC) constituyen en la actualidad una de las más promisorias tecnologías para el uso del transporte y las aplicaciones portátiles libres de emisiones de carbono (Rozo-2013). Sin embargo, la operación óptima de este tipo de celdas depende de la disponibilidad de corrientes de H2 con alto contenido de pureza. Nótese que el hidrógeno (H2) bajo en emisiones ya está incluido en los planes nacionales (Ministerio-2021). El H2, que es un vector energético, se puede producir comercialmente mediante distintos procesos, la mayoría de los cuales implica la extracción de la parte “hidro” de los hidrocarburos. El método más común y a la vez económico, es el reformado con vapor, pero dado que la materia prima contiene carbono, se producen inevitablemente emisiones de dióxido de carbono (CO2). Por lo anteriormente expuesto, las corrientes de H2 que se producen contienen no sólo H2, sino también otros gases, típicamente CO2, H2O y monóxido de carbono (CO), en cantidades variables, dependiendo del proceso de reformado, condiciones de operación y combustible usado, pudiendo llegar a tener contenidos del 15-25% de CO2, 10-30% de H2O y 3-10% de CO. Ahora bien, las PEMFC para producir energía eléctrica requieren ser alimentadas con una corriente de H2 casi pura, como se mencionó anteriormente, pues la tolerancia a determinados componentes es muy baja (Chandan-2013)(Wieser-2004). Así, la presencia de CO en la corriente, incluso a niveles de traza (típicamente > 10 ppm) resulta ser un veneno para el catalizador del ánodo de la celda (normalmente platino o Pt-Ru), pues se adsorbe sobre éste lo que conduce a la desactivación de la celda. Por tanto, se buscan estrategias encaminadas a conseguir corrientes de hidrógeno lo más limpias posibles, bien a través de procesos más selectivos, por ejemplo, mediante combinaciones de procesos de oxidación catalítica, reformado al vapor y/o oxidaciones parciales (van-Ruijven-2007) o bien mediante el uso de procesos de limpieza (“clean-up”) de la corriente de hidrógeno generada en el reformador, antes de ser alimentada a la celda. El proceso de purificación debe ser entonces altamente selectivo ya que un consumo excesivo de hidrógeno produce la pérdida de eficiencia y, además, hace difícil el control de la temperatura del sistema, al ser una reacción exotérmica. Aunque se han estudiado métodos físicos para la eliminación de CO de estas corrientes, los procesos catalíticos se han mostrado más eficientes y selectivos (Leong-2014)(Luttrell-2015). Diferentes estudios teóricos y experimentales han demostrado gran actividad catalítica para la conversión de CO usando sistemas catalizadores basados en dióxido de titanio (TiO2) en su fase anatasa (Leong-2014; Luttrell-2015). Adicionalmente, se ha observado que la incorporación de clústeres de oro favorece la actividad catalítica (Boccuzzi-2001). A pesar de que se cuenta con suficiente información acerca de estos sistemas catalíticos, aún quedan muchas preguntas por resolver. Los efectos de tamaño del clúster catalizador de oro, la topología de la superficie de anatasa, y la composición bimetálica (Au-Pd/Pt)) de catalizadores son todavía temas de debate entre investigadores. Así mismo, existen aún dificultades relacionadas con la estabilidad del catalizador las cuales están asociadas a la sinterización de las fases metálicas. Igualmente, y dependiendo de la naturaleza del catalizador y las condiciones del proceso de oxidación, se pueden producir especies no deseadas durante la reacción disminuyendo la selectividad hacia hidrógeno (Boccuzzi-2001). Dentro de este contexto, el diseño computacionalmente dirigido del catalizador es vital para mejorar la eficiencia total del proceso incrementando la actividad, selectividad y estabilidad catalítica en las reacciones de purificación de H2. Esto suele estar relacionado con propiedades del soporte, como sus superficies expuestas y defectos superficiales, así como de las nanopartículas soportadas como su geometría y carga eléctrica que afectan su desempeño como catalizador. Es así como se hace necesario el uso de la química computacional para anticiparnos al desarrollo experimental de nuevos materiales y prever mayores avances en actividad de catalizadores. Esto a su vez llevará a determinar patrones y tendencias estructurales que lleven a proponer catalizadores más eficientes. A través de cálculos computacionales, es posible identificar interacciones atómicas dentro de un sistema, determinar energías y tipo de enlace, energías y sitios preferenciales de adsorción, o analizar transferencias electrónicas, lo cual permite a su vez caracterizar un sistema catalítico. Adicionalmente, métodos como el de banda elástica (NEB) o dinámica molecular restringida permiten analizar la coordenada de reacciones químicas a partir de cálculos DFT (Mills-1994). Cálculos NEB permiten identificar caminos de mínima energía, puntos de silla o estados de transición, energías de activación sobre una superficie de catalizador, y, por ende, determinar mecanismos de reacción y selectividad (Jonsson-1998). De esta forma, en este trabajo se realizará un estudio de los mecanismos de oxidación preferencial de CO utilizando las mejores herramientas científicas a disposición para poder resolver la pregunta de investigación: ¿Cuál o cuáles de los sistemas catalíticos Au-Pt/Pd-TiO2 logra ser activo y selectivo en la oxidación preferencial de CO para obtener mezclas gaseosas ricas en hidrógeno y aptas para alimentar celdas de combustibles? Resaltando que la oxidación catalítica preferencial de CO no solo es un proceso de significativo impacto ambiental, sino que también de gran interés económico industrial. Por tal motivo, es necesario un esfuerzo en materia de investigación para que este proceso sea viable, eficiente, económico y selectivo.