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Morales Vargas, Mª Virtudes

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Morales Vargas
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Mª Virtudes
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    Desarrollo de nanomateriales para su aplicación como catalizadores en reacciones de valorización de bioetanol
    (Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Escuela Internacional de Doctorado. Programa de Doctorado en Ciencias, 2017-01-27) Morales Vargas, Mª Virtudes; Antonio Guerrero Ruiz; Asedegbega Nieto, Esther
    El bioetanol, obtenido por fermentación de los azúcares contenidos en plantas o a partir de residuos lignocelulósicos, es considerado un derivado de la biomasa con un gran potencial como precursor de productos de interés aplicado, como alternativa a los derivados del petróleo. En la presente Tesis Doctoral se han diseñado y desarrollado nuevos nanomateriales para ser aplicados en la valorización catalítica del bioetanol mediante dos rutas: la deshidrogenación para rendir acetaldehído, y la condensación, para obtener 1-butanol. Para el primer caso se empleó un reactor de lecho fijo operando a presión atmosférica, mientras que la condensación de bioetanol se estudió en fase líquida en un reactor tipo tanque agitado. Para llevar a cabo la reacción de deshidrogenación de bioetanol, se seleccionaron dos grupos de materiales conocidos por sus propiedades deshidrogenantes: por un lado, catalizadores basados en óxido de zinc, y por otro, catalizadores de cobre, empleando como soportes un grafito de alta superficie (HSAG) y materiales de grafeno, sin dopar y dopados con N. Estos últimos, además, también se evaluaron directamente como catalizadores libres de metal en la transformación de bioetanol. Tras la evaluación de la actividad catalítica de nanoestructuras de ZnO con diferentes relaciones de caras expuestas, se encontró que la reacción de transformación de etanol es sensible a la estructura superficial: las superficies polares resultaron ser más selectivas que las no polares hacia los productos minoritarios; etileno y productos de condensación. Esto se relacionó con la presencia de un tipo particular de hidroxilo de carácter ácido localizado en los planos basales de la estructura hexagonal del ZnO. Por otro lado, el conjunto de técnicas de caracterización aplicada a los óxidos de grafeno reducidos reveló que la incorporación de átomos de N en las láminas de grafeno causa un mayor grado de desorden, así como cambios estructurales y texturales con respecto a los no dopados. Las mayores conversiones obtenidas en la reacción de transformación de etanol en acetaldehído con los grafenos dopados con N, en comparación con los no dopados, confirmaron que la incorporación de estas funcionalidades de nitrógeno les confieren propiedades básicas. Desafortunadamente, su aplicación en esta reacción está limitada por las altas temperaturas requeridas. Sin embargo, notables mejoras en la actividad catalítica, a temperaturas bastante más reducidas, se obtuvieron cuando se emplearon dichos materiales como soportes de nanopartículas de cobre. Se encontró que el comportamiento catalítico de estas muestras dependía de la estructura y naturaleza del soporte, que promovía diferencias estructurales en las nanopartículas de Cu soportadas, tal y como reveló la observación detallada mediante microscopía electrónica de transmisión. Además, estos catalizadores resultaron ser más activos que un catalizador de Cu soportado en sílice comercial, siendo estas diferencias más evidentes cuando el agua (10% vol.) estaba presente en la corriente de alimentación. Por tanto, en el caso de la sílice comercial, el agua compite por los sitios activos con el etanol, mientras que el carácter hidrofóbico de los materiales de carbón minimiza este efecto. En lo concerniente a la reacción de condensación de bioetanol a 1-butanol, se estudiaron catalizadores de tipo multicomponente, de carácter bifuncional, que integran un metal de transición (Cu o Pd) como agente deshidrogenante/hidrogenante y un material de naturaleza básica basado en óxido de magnesio. Un cribado inicial de catalizadores mostró que los de Pd eran más selectivos a 1-butanol que los de Cu. Asimismo, se halló que cuando el Pd era soportado sobre un composite Mg-grafeno, se mantenía la fortaleza de los centros básicos adecuados, y además, se mejoró la dispersión del Pd respecto del catalizador soportado sobre el MgO másico, dando como resultado mejores selectividades hacia 1-butanol. Por último, se encontró una exitosa aplicación adicional para algunos de los catalizadores diseñados. En concreto, se evaluaron las propiedades catalíticas de catalizadores de Cu y Pd sobre HSAG y materiales de grafeno, en la reducción del 4-nitrofenol, un contaminante presente en aguas residuales, para la obtención de 4-aminofenol. El comportamiento catalítico excepcional exhibido por estos nanomateriales se interpretó en términos de un efecto cooperativo por parte del soporte grafítico en la actividad catalítica. Un estudio comparativo con los resultados previamente publicados y obtenidos en condiciones similares, reveló que Cu/HSAG era superior, en términos de actividad y estabilidad, a muchos de los catalizadores reportados hasta la fecha. Estos resultados evidencian el enorme potencial de los materiales grafíticos como soportes de catalizadores heterogéneos en reacciones de diversa índole.
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    Publicación
    Critical Factors Affecting the Selective Transformation of 5-Hydroxymethylfurfural to 3-Hydroxymethylcyclopentanone Over Ni Catalysts
    (Chemistry Europe, 2024-06-11) Conesa, José M.; Campos Castellanos, Eduardo; Guerrero Ruiz, Antonio R; Rodríguez Ramos, Inmaculada; Morales Vargas, Mª Virtudes; https://orcid.org/0000-0003-2834-0296; https://orcid.org/0000-0001-5470-7958; https://orcid.org/0000-0003-4622-6008
    The ring-rearrangement of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 3-hydroxymethylcyclopentanone (HCPN) was investigated over Ni catalysts supported on different carbon supports and metallic oxides with different structure and acid-base properties. Their catalytic performance was tested in a batch stirred reactor in aqueous solution at 180 °C and 30 bar of H2. Under these conditions, the HMF hydrogenation proceeds through three possible competitive routes: (i) a non-water path leading to the total hydrogenation product, 2,5-di-hydroxymethyl-tetrahydrofuran (DHMTHF), and two parallel acid-catalyzed water-mediated routes responsible for (ii) ring-opening and (iii) ring-rearrangement reaction products. All catalyst systems primarily produced HCPN, but reaction rates and product distribution were influenced by several variables, some of them intensely analyzed in this work. The most proper conditions resulted to be the presence of the medium/strong Lewis's acidity of a Ni/ZrO2 catalyst (initial TOF=5.99 min−1 and 73 % HCPN selectivity) or the Brønsted acidity originated by an oxidized high surface area graphite, Ni/HSAG-ox (initial TOF=5.92 min−1 and 87 % HCPN selectivity). However, too high density of acidic sites on the catalyst support (Ni/Al2O3) and sulfur impurities from the HMF feedstock led to catalyst deactivation by coke deposition and Ni poisoning, respectively.