En química, un soporte de catalizador es un material, generalmente un sólido con una gran área superficial , al que se fija un catalizador . [1] La actividad de los catalizadores heterogéneos es promovida principalmente por los átomos presentes en la superficie accesible del material. En consecuencia, se hace un gran esfuerzo para maximizar el área superficial específica de un catalizador. Un método popular para aumentar el área superficial implica distribuir el catalizador sobre la superficie del soporte. El soporte puede ser inerte o participar en las reacciones catalíticas. Los soportes típicos incluyen varios tipos de carbón activado , alúmina y sílice . [2]
Se utilizan dos métodos principales para preparar catalizadores soportados. En el método de impregnación, se trata una suspensión del soporte sólido con una solución de un precatalizador y luego el material resultante se activa en condiciones que convertirán el precatalizador (a menudo una sal metálica) a un estado más activo, tal vez el propio metal. . En tales casos, el soporte del catalizador suele estar en forma de gránulos. Alternativamente, los catalizadores soportados se pueden preparar a partir de una solución homogénea mediante coprecipitación . Por ejemplo, una solución ácida de sales de aluminio y un precatalizador se tratan con una base para precipitar el hidróxido mixto, que posteriormente se calcina . [3]
Los soportes suelen ser térmicamente muy estables y soportan los procesos necesarios para activar los precatalizadores. Por ejemplo, muchos precatalizadores se activan mediante la exposición a una corriente de hidrógeno a altas temperaturas. De manera similar, los catalizadores se contaminan después de un uso prolongado y, en tales casos, a veces se reactivan mediante ciclos de oxidación-reducción, nuevamente a altas temperaturas. El catalizador Phillips , compuesto por óxido de cromo soportado sobre sílice, se activa mediante una corriente de aire caliente. [4]
Los soportes a menudo se consideran inertes: la catálisis se produce en las "islas" catalíticas y el soporte existe para proporcionar áreas superficiales elevadas. Varios experimentos indican que este modelo a menudo está demasiado simplificado. Se sabe, por ejemplo, que los adsorbatos, como el hidrógeno y el oxígeno, pueden interactuar e incluso migrar de isla en isla a través del soporte sin volver a entrar en la fase gaseosa. Este proceso en el que los adsorbatos migran hacia y desde el soporte se denomina derrame. Se prevé, por ejemplo, que el hidrógeno pueda "derramarse" sobre un soporte oxídico en forma de grupos hidroxi. [5]
Un problema común en la catálisis heterogénea es la lixiviación , una forma de desactivación donde las especies activas en la superficie de un catalizador sólido se pierden en la fase líquida. La lixiviación es perjudicial por razones ambientales y comerciales y debe tenerse en cuenta si se va a utilizar un catalizador durante períodos de tiempo prolongados. Si las interacciones de unión entre un catalizador y su soporte son demasiado débiles, la lixiviación se exacerbará y su actividad disminuirá después de un uso prolongado. Para los catalizadores electrófilos , la lixiviación se puede abordar eligiendo un soporte más básico . [6] Como esta estrategia puede afectar negativamente la actividad del catalizador, se requiere un equilibrio sutil entre la mitigación de la lixiviación y la actividad. [7]
La fuerte interacción metal-soporte es otro caso que pone de relieve la simplificación excesiva de que los catalizadores heterogéneos están simplemente soportados sobre una sustancia inerte. La evidencia original fue proporcionada por el hallazgo de que las partículas de platino unen H 2 con la estequiometría PtH 2 para cada átomo de la superficie, independientemente de si el platino está soportado o no. Sin embargo, cuando está soportado sobre dióxido de titanio , el Pt ya no se une al H2 con la misma estequiometría . Esta diferencia se atribuye a la influencia electrónica de la titania sobre el platino, también llamada interacción fuerte metal-soporte. [8]
Se han inmovilizado catalizadores moleculares, que consisten en complejos de metales de transición, sobre soportes de catalizador. En principio, el material resultante combina características de los catalizadores homogéneos (estructuras complejas metálicas bien definidas) con las ventajas de los catalizadores heterogéneos (recuperabilidad y facilidad de manipulación). Se han desarrollado muchas modalidades para unir catalizadores complejos metálicos a un soporte. Sin embargo, la técnica no ha demostrado ser comercialmente viable, generalmente porque los complejos de metales de transición heterogenizados se lixivian del soporte o se desactivan por él. [9]
Los soportes se utilizan para dar estabilidad mecánica a nanopartículas o polvos de catalizadores. Los soportes inmovilizan la partícula reduciendo su movilidad y favoreciendo la estabilización química: pueden considerarse como agentes capping sólidos. Los soportes también permiten que las nanopartículas se reciclen fácilmente. [10]
Uno de los soportes más prometedores es el grafeno por su porosidad, propiedades electrónicas, estabilidad térmica y superficie activa.
Casi todos los catalizadores heterogéneos principales están soportados como se ilustra en la tabla siguiente.