Estudio del efecto de la temperatura y el tiempo de cristalización sobre la formación de la mesoestructura Al-MCM-41

Abstract

El presente trabajo está enfocado en la obtención de un material mesoporoso tipo Al-MCM-41 variando las condiciones de síntesis; temperatura, tiempo de cristalización y fuente de silicio, con la finalidad de estudiar el efecto de estos parámetros sobre la formación de la mesoestructura. En este estudio se sintetizaron 48 sólidos con una relación fija de SiO2/Al2O3= 70, a temperaturas entre 150 y 190ºC y tiempos de cristalización entre 6 y 72 horas con tetraetilortosilicato (TEOS) y silicato de sodio como fuentes de silicio. La obtención de los mismos de realizó empleando un reactor tipo Parr bajo presión autógena siguiendo la metodología experimental propuesta en éste trabajo. Los sólidos fueron caracterizados por distintas técnicas: Difracción de rayos X (DRX), fisisorción de nitrógeno, TGA-DTA y microscopía electrónica de transmisión. Para las fuentes de silicio estudiadas se observa que los difractogramas de rayos X a bajo ángulo del Al-MCM-41 sin calcinar, obtenidos a 150 y 170ºC y tiempos cortos de cristalización, revelan la presencia del pico principal a ángulos 2θ = 2 característico de éste de sólido mesoporoso. En los difractogramas de rayos X a alto ángulo del Al-MCM-41 sin calcinar, obtenidos a 190ºC y tiempos largos de cristalización se observa un patrón de difracción correspondientes a sólidos cristalinos con ambas fuentes de silicio. Los patrones de difracción de rayos X a bajo ángulo de los sólidos calcinados muestran que a temperaturas bajas se evidencia una disminución notable en el pico principal a ángulos 2θ=2 de éstos materiales con TEOS, sin embargo con silicato de sodio el patrón de DRX no muestra la presencia de un ordenamiento hexagonal; el efecto de la calcinación sobre el ordenamiento del sólido es más drástico cuando la fuente de silicio fué silicato de sodio. A ángulos altos a partir de 2θ = 5 y temperaturas de 150 y 170ºC se observa un patrón de difracción correspondiente a una fase amorfa, en cambio a 190ºC se obtiene un patrón de difracción correspondiente a una combinación de fases. Los resultados de estabilidad hidrotérmica muestran que los sólidos obtenidos no mantienen el ordenamiento hexagonal luego del tratamiento. Las isotermas de adsorción de nitrógeno para los sólidos sintetizados entre 150 y 190ºC y tiempos cortos de cristalización son típicas de materiales mesoporosos (isotermas de tipo IV). A tiempos intermedios de cristalización se observan unas isotermas que combinan la tipo I y tipo IV y a tiempos largos se observa unas isotermas típicas de materiales microporosos (tipo I). Una distribución de poros estrecha es observada para bajos tiempos de cristalización, que luego se hace más heterogénea y se pierde a medida que aumenta la temperatura y el tiempo de cristalización con ambas fuentes de silicio. Con respecto al área superficial de estos sólidos, los materiales sintetizados con silicato de sodio presentaron áreas superiores (1253 m2/g) a los sintetizados con TEOS como fuente de silicio (941 m2/g), todos los valores tienden a disminuir con el aumento en la temperatura y tiempo de cristalización. Al emplear silicato de sodio como fuente de silicio se obtienen sólidos más hidrofílicos en comparación con TEOS. Adicionalmente, las imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica de transmisión confirman la obtención de un material mesoporoso y se observa una transición de fase: mezcla de fase hexagonal-laminar a una fase netamente hexagonal. La temperatura óptima que se eligió fue 150ºC y tiempos de cristalización entre 12 y 72 horas empleando Silicato de Sodio como fuente de silicio ya que era la fuente de interés por su economía. Se logró observar y verificar que ocurren las transiciones de fase con el incremento de la temperatura y tiempo de cristalización para las dos fuentes de silicio además de identificarlas mediante la técnica de Microscopía electrónica de transmisión.