Catalizadores de Fe(III)-SiO2 para la producción a granel de nanotubos de carbono sintetizados por el método Sol-Xel: microestructura y actividad catalítica

N. MORALES; C. HUCK-IRIART; F. HERRERA; S. GOYANES; L. ANDRINI; F.G. REQUEJO; R. CANDAL

Rosario

Congreso; XVIII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2013

Asoc. Argentina de Investigación FcoQuímica

Introducción: La técnica para síntesis a granel de Nanotubos de Carbono (NTC) más empleada es la deposición química en fase vapor (CVD). Una pieza clave en esta síntesis es el catalizador, formado por nanopartículas de hierro (Fe-NP) no agregadas. Típicamente las Fe-NP se obtienen embebidas en matrices de SiO2 después de aplicar un tratamiento térmico reductor a un precursor de Fe(III)-SiO2. Estos sistemas pueden prepararse por el método sol-gel. Recientemente hemos encontrado que las condiciones de preparación del precursor Fe(III)-SiO2 tienen un efecto muy importante sobre el rendimiento de la síntesis de NTC. La eficiencia de la síntesis de los NTC depende de la transformación sol-xerogel, del tipo y concentración de ácido empleado en la síntesis, entre otras.Objetivos: En este trabajo nos proponemos determinar la microestructura y el entorno químico local del hierro en precursores de Fe(III)-SiO2 y catalizadores Fe(0)-SiO2 preparados por sol-gel, correlacionándolos con la actividad catalítica en la síntesis de NTC con el propósito de comprender y mejorar el rendimiento de la síntesis de NTC. Para ello presentamos un estudio de caracterización exhaustivo de sistemas Fe(III)-SiO2 y Fe(0)-SiO2, determinando la microestructura por adsorción de N2 a 77 K (BET) y dispersión de rayos X a bajo ángulo (SAXS), y la naturaleza del entorno local del Fe en la matriz de SiO2 por absorción de rayos X en la región cercana al borde (XANES).Resultados: Se prepararon soles de SiO2 conteniendo Fe(III) a partir de tetraetilortosilicato, etanol, agua y Fe(NO3)3.9H2O. Las reacciones de hidrólisis y condensación se catalizaron empleando concentraciones iguales de HF, HNO3 o HCl. Los soles se convirtieron en xerogeles por secado a 23 ºC (50% HR, una semana) o a 80 ºC. Los xerogeles se trataron térmicamente a 450 ºC para generar Fe2O3 y finalmente se redujeron a 650 ºC en atmosfera H2/N2 1:10. De acuerdo a los estudios realizados pudimos determinar que las nanopartículas de óxido de hierro en todos xerogeles calcinados se encuentran en la fase -Fe2O3, en tanto que para los precursores (xerogeles sin calcinar) existe una tendencia a un orden más centrosimétrico. Se descarta la presencia de silicatos de Fe, que disminuirían los rendimientos catalíticos. El tipo de ácido empleado como catalizador de hidrólisis afecta la microestructura y el estado de oxidación del Fe en el catalizador. Los soles preparados con HF presentan estructuras mesoporosas de gran área superficial y el hierro alcanza los mayores niveles de reducción, generando de esta forma los catalizadores con la mayor actividad. Finalmente, estos mismos soles secados a 80ºC presentan mesoporosidad pero menor área que los secados a 23ºC, lo que determina una menor actividad catalítica.Conclusiones: Se determino la relación entre las condiciones de síntesis sol-gel, el entorno local del Fe en el SiO2, la microestructura y el grado de reducción con la actividad catalítica para la síntesis de NTC por CVD.