Influencia de la incorporación de MgO en la estructura del soporte de catalizadores mesoporosos de Rh/ZrO2-MgO y su estudio en la actividad, selectividad y estabilidad en la metanación de CO2

Abstract

In this work. rhodium-based catalysts supported on mesoporous mixed oxides of ZrO2-MgO were developed to evaluate the influence of MgO on the structural properties and catalytic performance during CO2 methanation. The materials were synthesized by a sol-gel assisted method and calcined at different temperatures (450 °C and 600 °C). The resulting samples were characterized by XRD, Raman spectroscopy, N2 physisorption, TEM, STEM-EDS, and CO adsorption followed by FT-IR spectroscopy, as well as in operando infrared studies under reaction conditions. Characterization results revealed that the incorporation of MgO induces structural transformations in zirconia, stabilizing the cubic phase and enhancing the dispersion of rhodium on the surface. Increasing the calcination temperature, it was decreased the specific surface area but led to a more ordered and thermally stable structure. The in-operando FT-IR studies suggested the coexistence of associative and dissociative pathways during methanation, with the predominant route depending on the crystallinity degree of the support. In the catalytic tests, all materials were active and highly selective toward CH4 (≈100%). Catalysts calcined at 600 °C exhibited the highest activity, with the J-600 °C (Rh/ZrO2-MgO) sample showing superior long-term stability and the lowest deactivation rate. These results confirm that the addition of MgO strengthens both the structural and catalytic stability of the system, establishing mixed ZrO2-MgO oxides as promising supports for CO2 methanation.

En este trabajo se desarrollaron catalizadores de rodio soportados en óxidos mixtos de ZrO2-MgO mesoporosos con el propósito de evaluar la influencia del MgO sobre las propiedades estructurales y el desempeño catalítico durante la metanación de CO2. Los materiales se sintetizaron mediante el método sol-gel asistido y fueron calcinados a diferentes temperaturas (450 °C y 600 °C). Las muestras obtenidas se caracterizaron por DRX, Raman, fisisorción de N₂, MET, STEM-EDS y espectroscopía infrarroja de adsorción de CO, además de estudios in operando bajo condiciones de reacción. Los resultados de caracterización mostraron que la incorporación de MgO induce transformaciones estructurales en la zirconia, estabilizando la fase cúbica y mejorando la dispersión del rodio sobre la superficie. El incremento de la temperatura de calcinación disminuyó el área superficial específica, pero favoreció una estructura más estable y ordenada. Los estudios FT-IR in operando sugieren la coexistencia de las rutas asociativa y disociativa durante la metanación, con un predominio variable según el grado de cristalinidad del soporte. En las pruebas catalíticas, todos los materiales fueron activos y altamente selectivos hacia CH4 (≈100 %). Los catalizadores calcinados a 600 °C presentaron la mayor actividad, destacando el J-600 °C (Rh/ZrO2-MgO) por su elevada estabilidad y baja desactivación en operación prolongada. Estos resultados confirman que la adición de MgO fortalece la estabilidad estructural y catalítica del sistema, consolidando a los óxidos mixtos ZrO2-MgO como soportes prometedores para la metanación de CO2.