Efecto de los Promotores en Catalizadores Co/Al2O3 para la Oxidación Parcial del Metano: Correlaciones Estructura–Actividad

El desarrollo de catalizadores de metales no nobles, rentables, para la oxidación parcial del metano (POM) sigue siendo una estrategia clave para producir gas de síntesis rico en hidrógeno mientras se mitigan las emisiones de gases de efecto invernadero. En este estudio, se prepararon catalizadores soportados en cobalto alumina (Co/Al2O3) utilizando un 5 % en peso de Co y se calcinó a 600, 700 y 800 °C. Posteriormente, los catalizadores Co/Al2O3 fueron promovidos con un 10 % en peso de Mg, Si, Ti y Zr a la temperatura de calcinación optimizada. Los catalizadores fueron caracterizados sistemáticamente mediante análisis de FT-IR, XRD, fisiosorción de N2, H2-TPR y XPS. Se realizaron pruebas de actividad catalítica para la POM de CH4 a 600 °C (CH4/O2 = 2 y GHSV = 14, 400 mL g−1 h−1). Los catalizadores calcinados a 700 °C (5Co/Al₇00) mostraron la mayor actividad entre las muestras no promovidas, con una conversión de CH4 del 43.9 % y un rendimiento de H2 del 41.8 %. El rendimiento superior se atribuyó a su alta área superficial y la abundancia de especies reducibles Co3+, generando un mayor número de sitios activos Co0. Los resultados de XPS confirmaron la estabilidad estructural de γ-Al2O3 y las interacciones Co–Al preservadas a través de las temperaturas de calcinación, mientras que los promotores modulan principalmente la dispersión de Co y la accesibilidad redox. Entre los catalizadores promovidos, el orden de actividad fue: 5Co/10ZrAl > 5Co/10MgAl> no promovidos-5Co/Al₇00 > 5Co/10SiAl > 5Co/10TiAl. Los catalizadores promovidos con Si y Ti adquirieron menor concentración de sitios activos y menor actividad también. La concentración de especies reducibles, así como la actividad inicial hacia POM, son comparables en catalizadores promovidos con Zr y Mg. Sin embargo, el primero tiene un mayor margen de reducibilidad y mantiene una actividad constante con el tiempo en un estudio de flujo. El catalizador promovido con Zr exhibió una superior reducibilidad y estabilidad notable, logrando una conversión de CH4 del 47.3 % y un rendimiento de H2 del 44.4 % sostenido durante 300 minutos de tiempo activo. El análisis de TEM de 5Co/10ZrAl gastado indicó que la promoción con Zr suprimió la formación de carbono grafítico.