Desarrollo de catalizadores Cu-Ni-M*/SBA-15-ZrO2(M*=Zn, Fe, Co) y su aplicación en la reacción de HDO de m-cresol

Abstract

Currently, fossil petroleum-derived fuels are insufficient to meet the growing global demand, especially in the transportation sector. Despite advances in the production of first- and second generation biofuels, they have not yet effectively replaced fossil fuels, whose utilization is associated with significant environmental impacts. In response to this problem, the scientific community has intensified its efforts to develop sustainable alternatives, focusing particularly on the utilization of non-edible lignocellulosic biomass, such as agricultural, forestry, and urban waste. This biomass can be transformed through fast pyrolysis to obtain bio-oil, a complex and highly oxygenated liquid that cannot be used directly as a fuel due to its high acidity, low thermal stability, and reduced heating value. To upgrade bio-oil quality, a catalytic process called hydrodeoxygenation (HDO) is employed, which consists of removing oxygenated groups through hydrogenation and hydrogenolysis reactions in the presence of molecular hydrogen and under severe operating conditions. Within this context, m-cresol has been established as a key model molecule due to its aromatic structure with a hydroxyl group and a methyl group, which is representative of the phenolic compounds present in bio-oil. The study of m-cresol HDO allows for an understanding of reaction mechanisms, the influence of catalysts, and the preferential pathways toward products such as toluene or methylcyclohexane. This work investigates the effect of the nature of Cu-Ni-M* metals (M* = Zn, Fe, Co) supported on a structured mesoporous SBA-15 material functionalized with ZrO₂, characterized by its high surface area and ordered pore structure, in the HDO reaction of m-cresol. These bifunctional catalysts are capable of dissociative activating the H₂ molecule and promoting selective oxygen removal.

En la actualidad, los combustibles derivados del petróleo fósil no han resultado suficientes para satisfacer la demanda mundial que va de manera creciente, especialmente en el sector transporte. A pesar del avance en la producción de biocombustibles de primera y segunda generación, estos aún no logran reemplazar de manera efectiva a los combustibles fósiles, cuya utilización está asociada a impactos ambientales significativos. En respuesta a esta problemática, los grupos de investigación científica ha intensificado sus esfuerzos en el desarrollo de alternativas sostenibles, enfocándose particularmente en el aprovechamiento de biomasa lignocelulósica no comestible, como residuos agrícolas, forestales y urbanos. Esta biomasa puede transformarse mediante pirólisis rápida para obtener bioaceite, un líquido complejo y altamente oxigenado que no puede utilizarse directamente como combustible debido a su alta acidez, baja estabilidad térmica y poder calorífico reducido. Para mejorar la calidad del bioaceite, se emplea un proceso catalítico denominado hidrodesoxigenación (HDO), que consiste en eliminar los grupos oxigenados mediante las reacciones de hidrogenación e hidrogenólisis con presencia de hidrógeno molecular y a condiciones severas de operación. Dentro de este contexto, el m-cresol se ha establecido como una molécula modelo clave debido a su estructura aromática con un grupo hidroxilo y un grupo metilo, representativa de los compuestos fenólicos presentes en el bioaceite. El estudio de la HDO del m-cresol permite comprender los diferentes mecanismos de reacción, la influencia que tienen los catalizadores y las rutas preferenciales hacia productos como tolueno o metilciclohexano. En este trabajo se investigará el efecto de la naturaleza de los metales Cu-Ni-M* (M* = Zn, Fe, Co) soportados en un material mesoporo estructurado SBA-15 funcionalizado con ZrO₂, caracterizado por su alta área superficial y ordenamiento de poros, en la reacción de HDO de m-cresol. Nuestros catalizadores bifuncionales logran activar disociativamente la molécula de H₂ y promover la eliminación selectiva del oxígeno.