Novos catalisadores transformam o metano do gás de efeito estufa em produtos químicos valiosos

Os investigadores desenvolveram um novo catalisador que converte metano em produtos químicos valiosos de forma mais sustentável, potencialmente avançando nos esforços para descarbonizar a indústria química.

O metano, um potente gás com efeito de estufa, desempenha um papel crucial tanto como fonte de energia como como matéria-prima química vital. Normalmente, o metano sofre conversão em metanol antes de ser transformado em hidrocarbonetos. Este processo, no entanto, exige sistemas industriais elaborados. Crucialmente, como o metano é uma molécula altamente estável, convertê-lo em metanol através de métodos tradicionais, como a reforma a vapor do metano, consome muita energia.

Neste contexto, a conversão catalítica do metano em metanol ou outros produtos químicos tem atraído muita atenção dos cientistas, que estão ansiosos por encontrar soluções mais eficientes em termos energéticos e sustentáveis. Entre os catalisadores relatados recentemente, os zeólitos contendo cobre (Cu) mostraram-se promissores para a conversão de metano em metanol em condições amenas. Infelizmente, o rendimento e a seletividade da maioria dos catalisadores relatados têm sido baixos, o que significa que grandes quantidades de subprodutos indesejáveis ​​são geradas juntamente com o metanol.

Este estudo fornece novas formas de transformar metano e óxido nitroso em substâncias de valor agregado, contribuindo para a descarbonização da indústria química. Crédito: Tóquio Tech

Em um estudo recente publicado na revista Comunicações da Natureza, uma equipe de pesquisa incluindo o professor associado Toshiyuki Yokoi do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão, investigou um novo tipo de catalisador zeólito bifuncional. Curiosamente, este zeólito à base de aluminossilicato contendo Cu é capaz de converter metano e óxido nitrosooutro gás de efeito estufa, diretamente em compostos valiosos por meio de uma série de reações intermediárias.

Otimizando a estrutura do catalisador para resultados aprimorados

Uma das principais questões abordadas pelos pesquisadores foi como a distribuição espacial dos diferentes sítios ativos no catalisador afetava o resultado das reações. Para este fim, eles prepararam múltiplos catalisadores utilizando não apenas diferentes concentrações de Cu e ácido locais (próton) em soluções aquosas, mas também diferentes técnicas de mistura física para amostras sólidas.

Através de diversas técnicas experimentais e analíticas, os pesquisadores descobriram que a proximidade entre os sítios de Cu e ácidos era crucial para a determinação dos produtos finais. Mais especificamente, eles relataram que quando os sítios de Cu estavam próximos uns dos outros, o metanol produzido nos sítios de Cu a partir do metano tinha uma maior probabilidade de ser superoxidado por um sítio de Cu adjacente, transformando-o em dióxido de carbono. Em contraste, quando os locais de Cu e os locais ácidos estavam próximos um do outro, o metanol reagiu com o óxido nitroso em um local ácido adjacente para produzir hidrocarbonetos valiosos e gás nitrogênio inofensivo.

“Concluímos que, para uma produção estável e eficiente de metanol e, em última análise, de hidrocarbonetos úteis a partir do metano, é necessário distribuir uniformemente os locais de Cu e os locais de ácido e mantê-los a uma distância adequada uns dos outros”, explica Yokoi. “Também descobrimos que a distribuição dos produtos obtidos também é influenciada pelas propriedades ácidas e pela estrutura dos poros do catalisador zeólito.”

Uma das vantagens mais notáveis ​​do catalisador proposto é a sua capacidade de sustentar reações em tandem, ou seja, um processo simples que combina várias etapas em uma e elimina simultaneamente dois gases de efeito estufa nocivos diferentes. Esta propriedade será fundamental para tornar tais sistemas catalíticos atraentes em um ambiente industrial.

“Esperamos que nosso trabalho oriente esforços futuros para alcançar a oxidação do metano em metanol e abra caminhos para promover a síntese de hidrocarbonetos usando metanol como intermediário”, conclui Yokoi.

Com alguma sorte, este estudo servirá como um trampolim para a descarbonização da indústria química, contribuindo para a concretização de uma sociedade neutra em carbono.

Referência: “Compreendendo o efeito de locais de Cu e ácidos espacialmente separados em catalisadores de zeólita na oxidação do metano” por Peipei Xiao, Yong Wang, Lizhuo Wang, Hiroto Toyoda, Kengo Nakamura, Samya Bekhti, Yao Lu, Jun Huang, Hermann Gies e Toshiyuki Yokoi, 28 de março de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46924-2

O estudo foi financiado pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.