Este proyecto se enmarca en el desarrollo de nuevos materiales catalíticos para abatir la contaminación del aire y para purificar H2 contaminado por CO, utilizando reacciones de oxidación. Los catalizadores basados en nanopartículas de oro han mostrado ser catalizadores altamente eficientes para este tipo de reacciones, sin embargo presentan un problema de estabilidad temporal. Este problema es debido principalmente a la coalescencia de las partículas de oro y a la formación de especies superficiales que pueden bloquear los sitios activos. En este proyecto se propone explorar dos vías para tratar de evitar este problema de inestabilidad: la utilización de catalizadores bimetálicos y/o modificar la naturaleza del óxido utilizado como soporte. Los catalizadores bimetálicos tienen varias ventajas: Una actividad bifuncional, una reactividad modulable y la posibilidad de influenciar la estabilidad del catalizador. En el grupo de catálisis heterogénea del CCADET hemos desarrollado formulaciones bimetálicas con características catalíticas muy prometedoras (alta actividad y durabilidad) en reacciones de oxidación. En este proyecto pretendemos desarrollar nuevas formulaciones bimetálicas con alto potencial para catalizar reacciones de oxidación: Au-Co y Au-Ru. En el caso del sistema Au-Co, se pretende sintetizar catalizadores del tipo Au/Co3O4/TiO2. Debido a que el enlace Co-O es relativamente débil en el Co3O4 se facilitará la liberación de oxígeno de la red, generando "oxígeno móvil" que podrá ser utilizado en las reacciones de oxidación. En el sistema Au-Ru, dado que el Ru tiene una habilidad única para activar el O2, la combinación con el oro generará catalizadores con una alta actividad en este tipo de reacciones. La estabilización del catalizador se dará por efecto del segundo metal que puede evitar la aglomeración de NPs o disminuir la formación de especies adsorbidas en los sitios activos del catalizador. Se pretende llevar a cabo un estudio sistemático de los parámetros de la síntesis de los catalizadores bimetálicos y de su activación, para determinar qué influencia tienen estos parámetros sobre la actividad y la estabilidad del catalizador. A pesar de que los sistemas bimetálicos a estudiar presentan una miscibilidad limitada en bulto, a escala nanométrica los metales pueden comportarse de manera diferente, lo que implica que puedan darse interacciones entre los átomos de ambos elementos en las NPs. Uno de los objetivos de este proyecto será el tratar de comprender el efecto de las interacciones atómicas y los estados de oxidación en superficie de los metales constituyentes de las nanopartículas sobre la actividad y la estabilidad de los catalizadores. Por otro lado, el soporte del catalizador puede jugar un papel importante en la estabilización de las nanopartículas de oro, ya que se ha mostrado que la estabilidad depende tanto de su estructura como de las interacciones específicas oro-soporte. Se pretende preparar óxidos dopados (de TiO2 y CeO2) con elementos de valencia inferior a 4+, con el objeto de crear defectos superficiales y sobre estos óxidos depositar NPs monometálicas y bimetálicas para evaluar el efecto de dichas modificaciones sobre la actividad y estabilidad de los catalizadores. Así mismo se buscará modular las propiedades ácido-base del soporte, lo que tendrá sin duda una influencia sobre la formación de carbonatos y la fuerza con que estos se adsorban en los sitios activos.

La contribución de este proyecto se engloba en el ámbito de la creación de conocimiento en el campo de nuevos materiales catalíticos para abatir la contaminación del aire y para el desarrollo de tecnologías alternativas de generación de energía más eficientes, limpias y renovables, como el H2. Como se menciona en la parte de antecedentes, los catalizadores basados en oro son muy prometedores en reacciones de oxidación de monóxido de carbono y de compuestos orgánicos volátiles así como en la reacción de desplazamiento del gas de agua, WGS que además de purificar el H2 contaminado por CO produce este combustible (CO + H2O = CO2 + H2). Sin embargo estos catalizadores presentan un problema de estabilidad temporal. En este proyecto se propone continuar explorando dos vías para tratar de evitar este problema de inestabilidad: la utilización de catalizadores bimetálicos y/o modificar la naturaleza del óxido utilizado como soporte. Como es bien sabido, comparados con los sistemas monometálicos, los catalizadores bimetálicos tienen las potenciales ventajas de una actividad bifuncional [39], una reactividad modulable [40,41] (por ejemplo en las estructuras núcleo-coraza) y la posibilidad de influenciar la estabilidad por medio de la adición del segundo metal [42,41]. Así una de las contribuciones de este proyecto será el llevar a cabo un estudio sistemático de los parámetros de la síntesis de los catalizadores bimetálicos y del tratamiento térmico, para determinar qué influencia tienen estos parámetros sobre la actividad y la estabilidad del catalizador. Dado que la preparación de catalizadores bimetálicos no está restringida a metales que son capaces de formar soluciones solidas en el rango completo de composiciones, se pueden incluir elementos que tienen miscibilidad limitada como el cobalto y el oro o el rutenio y el oro [43]. Los sistemas bimetálicos con miscibilidad limitada en bulto ofrecen una oportunidad muy interesante de investigar si las limitaciones de miscibilidad se ven modificadas cuando se tienen dispersiones metálicas muy altas (es decir, tamaños de partícula muy pequeños). Por ejemplo se ha reportado que en partículas altamente dispersas, el Au y el Ru pueden interaccionar cuando están en estado de alta dispersión en catalizadores soportados [43], inclusive se ha encontrado que puede haber un enriquecimiento de rutenio en la superficie [44,45] en contradicción con la regla general de que los metales IB segregan a la superficie. Así en los sistemas bimetálicos hay varias posibilidades en cuanto a la distribución de los metales en el catalizador: 1) Dado que se trabajará a escala nanométrica los metales pudieran comportarse de manera diferente que en el bulto y formar aleaciones (muy poco probable) o estructuras núcleo-coraza 2) el rutenio o el cobalto se deposite en una fase separada sobre el soporte formando partículas monometálicas 3) que se forme una mezcla binaria de los óxido (por ejemplo Co3O4/TiO2 o RuO2/TiO2), sobre el que estarían depositadas las nanopartículas de oro. En este proyecto se pretende caracterizar a profundidad los sistemas bimetálicos que se sintetizarán, con el fin de elucidar la interacción entre los átomos de oro y rutenio o de oro y cobalto, así como los estados de oxidación de cada uno de los metales y su efecto sobre la actividad catalítica y la estabilidad del catalizador. El comprender el efecto de las interacciones atómicas y los estados de oxidación en superficie de los metales constituyentes de las nanopartículas sobre la actividad y la estabilidad de los catalizadores será otra de las contribuciones de este proyecto. Referente a la modificación del soporte, como se menciona en los antecedentes éste puede jugar un papel importante en la estabilización de las nanopartículas de oro, ya que se ha mostrado que la estabilidad depende tanto de su estructura como de las interacciones específicas oro-soporte. Así, otra de las contribuciones de este proyecto será el continuar el estudio de óxidos de titanio y cerio dopados con elementos de valencia inferior a 4+, para generar vacancias de oxígeno con el objeto de crear defectos superficiales y sobre estos óxidos depositar nanopartículas monometálicas y bimetálicas para evaluar el efecto de dichas modificaciones sobre la actividad y estabilidad de los catalizadores. Las actividades y estabilidades obtenidas se compararán con las obtenidas sobre los óxidos puros correspondientes, para determinar el efecto del dopaje o de la utilización de óxidos mixtos. Así mismo se buscará modular las propiedades ácido-base del soporte, lo que tendrá sin duda una influencia sobre la formación de carbonatos y la fuerza con que estos se adsorban en los sitios activos. El hecho de modular la basicidad del soporte permitirá incrementar la estabilidad en función del tipo de reacción de los catalizadores.