Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 1 (2): 54-57 Octubre-Diciembre 2018 https://doi.org/10.37636/recit.v125457
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ISSN: 2594-1925
Influencia del grupo alcoxi en la síntesis de óxido
cobaltosico para la reducción de óxidos de nitrógeno
Influence of the alkoxy group on the synthesis of cobaltosic oxide
for the reduction of nitrogen oxides
Quintana Melgoza Juan Manuel , Flores Sánchez Luis Antonio
Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, Calzada
Universidad 14418 Parque Industrial Internacional Tijuana, C.P. 22390. Tijuana, Baja California,
México
Autor de correspondencia: Juan Manuel Quintana Melgoza, Facultad de Ciencias Químicas e
Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, Calzada Universidad 14418 Parque Industrial
Internacional C.P. 22390. Tijuana, Baja California, México. E-mail: quintana@uabc.edu.mx. ORCID:
0000-0002-3738-0612
Recibido: 20 de Septiembre del 2017 Aceptado: 23 Noviembre del 2017 Publicado: 01 de Enero del 2018
Resumen. - Presentamos una nueva metodología para la síntesis de óxido cobaltosico (Co
3
O
4
). Los
materiales se prepararon haciendo reaccionar alcoholes de un carbono (C
1
) a cuatro carbonos (C
4
)
de cadena lateral con sodio metálico y nitrato de cobalto hexahidrato, respectivamente a 600 ºC con
flujo de helio. Como efecto de los hidrocarburos de cadena larga, C4 es el mejor precursor de Co
3
O
4
,
debido a su área superficial más alta que la obtenida por precursores C
1
, C
2
, C
3
. Y todos los
catalizadores alcanzaron la conversión de NO a 400 º C en el intervalo de 69.9 % a 97.5 %. Los
materiales se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD), tamaño promedio de los cristales, área
superficial, espectroscopia de dispersión de energía (EDS) y microscopía electrónica de barrido
(SEM).
Palabras clave: Óxido Cobaltosico; Alcoholes; Área Superficial; Reducción de Óxido Nítrico.
Abstract. - We present a new methodology for cobaltosic oxide (Co
3
O
4
) synthesis. The materials were
prepared by reacting alcohols of one-carbon (C
1
) to four-carbons (C
4
) of lateral chain with metallic
sodium and cobalt nitrate hexahydrate, respectively at 600 ºC under helium stream. As effect of long
chain hydrocarbons, C
4
is the best precursor of Co
3
O
4
, because of its higher surface area than the
obtained by C
1
, C
2
, C
3
precursors. And all the catalysts achieved NO conversion at 400 °C in the
range of 69.9 % to 97.5 %. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), average
crystal size, surface area, energy dispersive spectroscopy (EDS), and scanning electron microscopy
(SEM).
Keywords: Cobaltosic Oxide; C
1
-C
4
Alcohols; Surface Area; Nitric Oxide Reduction.
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ISSN: 2594-1925
1. Introducción
La estructura tipo espinela de Co
3
O
4
se ha estudiado en
sus posibles aplicaciones como depósito sobre
películas semiconductoras y ferromagnéticas 1,
soporte en la mezcla CuO/Co
3
O
4
para la producción de
hidrógeno [2], como soporte en el sistema TiO
2
/Co
3
O
4
para la degradación compuestos orgánicos tóxicos
presentes en agua [3], como soporte catalítico de óxido
de cerio CeO
2
/Co
3
O
4
para la oxidación de CO [4].
Además, se han reportado algunos métodos para la
síntesis de Co
3
O
4
, por ejemplo: descomposición
térmica del hidrato de cobalto [1, 3], co-precipitación
[2], impregnación húmeda incipiente de Co
3
O
4
en un
soporte catalítico 5, precipitación 6, sol-gel [3] e
hidrotérmico [7]. Como podemos ver en este trabajo, la
síntesis de óxidos de cobalto por reacción de
desplazamiento de Na por Co, seguido de tratamiento
térmico se puede obtener Co
3
O
4
por un método fácil,
barato y con posible actividad en la reducción de óxido
nítrico NO con monóxido de carbono CO, los
contaminantes mayoritarios del aire (72 %) [8].
El objetivo de este trabajo es sintetizar Co
3
O
4
por
reacción de desplazamiento de Na por Co en metóxido
de Na, etóxido de Na, propóxido de Na y butóxido de
Na, seguido de tratamiento térmico para obtener 4
materiales con actividad variable en la reducción de
NO con CO a CO
2
y N
2
.
2. Metodología
2.1. Síntesis de óxidos de cobalto
Los óxidos de cobalto se sintetizan a partir de 3.0 g de
los compuestos: metóxido, etóxido, propóxido y
butóxido de cobalto a 600 ºC, respectivamente, durante
1 h en flujo de helio a 20 mL/min. Los materiales
obtenidos se etiquetan como catalizadores: Co
1
, Co
2
,
Co
3
y Co
4
.
2.2. Caracterización del material
La composición elemental y estructura morfológica de
las partículas sintetizadas se analizan por EDS y SEM
en un JEOL 5300. Las muestras se recubren con oro
para evitar los efectos de acumulación de carga sobre
la superficie. XRD se utiliza para identificar las fases
cristalinas y para medir sus tamaños de cristal, para
ello, se emplea un difractómetro Philips con
radiación Cu
K
(40 kV, 30 mA), con una longitud de
onda de 0.154 nm. Las fases cristalinas se
corroboran en la base de datos cristalográficos
JCPDS-ICDD de difracción de polvo [9]. El tamaño
promedio cristalino de los catalizadores Co1, Co2,
Co3 y Co4 se estima a partir del ancho medio de
pico (311), respectivamente, utilizando un análisis
estándar de Scherrer [10]. La superficie se mide con
un equipo Gemini 2360 de Micromeritics por
adsorción de N
2
a -196 ºC utilizando la isoterma
BET [11].
3. Resultados
3.1. Difracción por rayos–X
En la Figura 1 se presenta los patrones por XRD del
material Co
1
, Co
2
, Co
3
y Co
4
y el patrón por XRD
de Co
3
O
4
(T) de referencia cristalográfica en la base
de datos JCPDS-ICDD 42-1467 [9]. Como se puede
ver, la concordancia de señales entre los espectros
de síntesis Co
1
‒ Co
4
y reportado T es excelente y
conduce a la confirmación de la fase cristalina de
Co
3
O
4
sintetizado. En la Figura 2 se muestra la celda
unitaria cúbica centrada de cara del Co
3
O
4
tipo
espinela normal, simulada en el programa PCW
versión 2.4 [12.
3.1. Características de los cristales Co
3
O
4
El tamaño cristalino, el área superficial, el tamaño
de partícula y la actividad catalítica en la reducción
de NO con CO en relación NO/CO = 1/5 a 400 C
correspondiente a los materiales sintetizados se
muestran en Tabla 1. Los resultados de área
superficial, tamaño de cristal y actividad catalítica
son consistentes con la longitud de la cadena del
grupo alquilo de 1 carbono a 4 carbonos usando
metanol, etanol, propanol, butanol como
intermediarios de cadena lateral para la síntesis de
Co
3
O
4
. Porque al aumentar el número de carbonos
en el precursor de Co
3
O
4
se obtiene catalizadores
más activos, con mayor área y con menor tamaño
cristalino en el siguiente orden: Co
1
Co
2
Co
3
Co
4
, tal como se indica en la Tabla 1. Las etapas del
mecanismo para la reducción catalítica de NO con
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CO a CO
2
y N
2
sobre la superficie de Co
3
O
4
(ads) se
propone en el esquema 1 de reacciones parciales.
Figura 1. Patrones por XRD indexados de los materiales Co
1
, Co
2
,
Co
3
, Co
4
sintetizados en este trabajo y Co
3
O
4
reportado (T) en
JCPDS-ICDD 42-1467 9.
Figura 2. Celda unitaria cubica centrada de cara del
Co
3
O
4
tipo espinela normal.
Tabla 1 Tamaño de cristal (C
XRD
), área superficial (S
BET
), tamaño
de partícula (P
SEM
) y grado de conversión de NO (%) determinado
en los materiales sintetizados (M).
M
C
XRD
Å
S
BET
m
2
/g
P
SEM
m
Conversión NO
400 C (%)
Co
1
1580
2.2
2.35x1.58
69.9
Co
2
1250
3.9
4.90x3.94
74.5
Co
3
947
8.6
0.44x0.33
78.5
Co
4
429
17.1
3.22x2.47
97.5
Etapa 1. NO NO
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Etapa 2. NO
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N
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+ O
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Etapa 3. CO CO
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Etapa 4. CO
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+ O
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CO
2
Etapa 5. 2N
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N
2
Etapa 6. N
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+ NO
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N
2
O
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Etapa 7. N
2
O
ads
N
2
+ O
ads
Esquema 1. Reacciones parciales de la reducción catalítica de NO
con CO a los productos CO
2
y N
2
.
4. Conclusiones
Se confirmó la síntesis de Co
3
O
4
por variación de la
cadena lateral desde 1 carbono a 4 carbonos,
obteniéndose materiales a base cobalto Co
1
, Co
2
, Co
3
y Co
4
con diferencias físicas significativas en área
superficial (2.2 ‒ 17.1) m
2
/g, tamaño de cristal (1580 ‒
429) Å y actividad (69.9 ‒ 97.5) %, en ese orden. Por
lo anterior, se recomienda el método de 4 carbonos
para sintetizar Co
3
O
4
con mejor actividad en la
reducción de NO con CO a N
2
y CO
2
con potencial
aplicación para control de NOx industrial.
5. Agradecimientos
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (2): 54-57.
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ISSN: 2594-1925
Los autores agradecen la financiación de esta
investigación con los proyectos 300/1377, 300/1474 y
300/6/N/84/19 de las convocatorias internas UABC.
Además, se agradece a UABC y CNYN por
proporcionar soporte de laboratorio en síntesis y
caracterización de los materiales. Estamos muy
agradecidos con M. en C. Martha Eloísa Aparicio Ceja,
M. en C. Israel Gradilla Martínez, Antonio Gómez y
Gabriela Díaz por sus contribuciones a este trabajo de
investigación.
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3
O
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