Pesquisadores do DOE descobrem nova maneira mais barata e eficiente de produzir produtos químicos importantes

A combinação de zircônio com nitreto de silício melhora a transformação do propano, um componente do gás natural, em polipropileno, um plástico muito procurado.

O polipropileno é um plástico amplamente utilizado, encontrado em vários itens do dia a dia, incluindo recipientes para alimentos e dispositivos médicos. Devido à sua popularidade, há uma demanda crescente por propileno, um produto químico essencial para sua produção. O propileno é derivado do propano, um gás natural comumente utilizado em churrasqueiras.

Cientistas do Laboratório Nacional Argonne e do Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia dos EUA (DOE) relatam uma maneira mais rápida e com maior eficiência energética de fabricar propileno do que o processo usado atualmente.

A conversão de propano em propileno normalmente envolve um catalisador de metal como cromo ou platina em um material de suporte, como óxido de alumínio ou dióxido de silício. O catalisador acelera a reação. No entanto, também necessita de altas temperaturas operacionais e uso de energia.

Avanço na tecnologia de catalisadores

Em um projeto colaborativo, cientistas de Argonne e Ames descobriram que o zircônio combinado com nitreto de silício melhora a conversão catalítica do gás propano em propileno. Ele faz isso de uma forma que reage mais rápido e é menos tóxico, e usa menos energia do que outros metais não preciosos, como o cromo. Também é mais barato do que catalisadores de metais preciosos, como a platina.

Esta descoberta também revela uma maneira de reduzir a temperatura do processo catalítico. Por sua vez, isso reduz a quantidade de dióxido de carbono liberado. O dióxido de carbono é responsável por quase 80% das emissões de gases de efeito estufa nos Estados Unidos. Além disso, esta pesquisa dá uma ideia da reatividade alcançável com outros metais de baixo custo na conversão catalítica de propano em propileno.

Por algum tempo, os químicos da Argonne David Kaphan e Max Delferro têm estudado sistematicamente como superfícies não tradicionais influenciam e promovem a catálise. Como pesquisadores líderes neste estudo, eles queriam entender como um catalisador de metal não tradicional em um tipo de suporte não tradicional se compara a materiais tradicionalmente usados ​​durante a conversão catalítica de propano.

Os materiais de suporte do catalisador normalmente têm áreas de superfície altas e ajudam a distribuir os catalisadores. Eles também podem desempenhar um papel importante na promoção da catálise, como mostrado neste estudo. A equipe de pesquisa descobriu que um catalisador de zircônio em um suporte de nitreto de silício produziu uma catálise significativamente mais ativa para a conversão de propano em propileno. Por outro lado, esse não foi o caso com o suporte de sílica.

Eles também descobriram que o suporte de nitreto de silício permitiu a catálise de uma forma mais rápida e mais eficiente em termos de energia do que com metais tradicionais em sílica. Como um suporte de catalisador, o nitreto de silício pode melhorar as reações químicas na superfície dos metais em relação aos óxidos mais tradicionalmente usados. Os cientistas alcançaram a conversão catalítica do propano a uma temperatura de 842 graus F. Isso é um pouco menor do que os 1.022 graus F normalmente necessários para a catálise usando materiais tradicionais.

Implicações gerais e ferramentas de pesquisa

Além disso, quando executados na mesma temperatura que catalisadores tradicionais para essa transformação, as taxas de reação foram significativamente mais rápidas do que materiais similares com suportes de óxido. Essa descoberta também oferece prova de que esse conceito pode ser generalizado para outras reações importantes.

“Isso fornece uma janela para a reatividade do metal suportado por nitreto. Vemos promessa com o uso de outros metais de transição onde podemos alavancar essa diferença no ambiente local da superfície do nitreto para melhorar a catálise”, disse Kaphan.

Esta pesquisa se beneficiou da Advanced Photon Source (APS) da Argonne, uma instalação de usuário do DOE Office of Science. Na linha de luz 10-BM, os pesquisadores usaram espectroscopia de absorção de raios X para entender como a interação do catalisador de zircônio com o material de nitreto difere do material de óxido.

Os pesquisadores de Argonne também colaboraram com Frédéric Perras, um cientista do Ames National Laboratory, para obter uma melhor compreensão da estrutura do catalisador de nitreto de zircônio/silício. Ele usou uma técnica de ressonância magnética nuclear aprimorada por polarização nuclear dinâmica para analisar como o nitreto de silício reage com sítios metálicos.

“A composição na superfície do nitreto de silício é em grande parte desconhecida, o que me deixou mais empolgado neste trabalho”, disse Perras, que também é professor associado adjunto na Universidade Estadual de Iowa.

A combinação de técnicas de caracterização de materiais disponíveis em Argonne e Ames e a experiência das pessoas que trabalharam neste artigo contribuíram para o sucesso deste experimento, de acordo com Delferro.

“Uma pessoa não pode fazer tudo. Este é realmente um esforço de equipe, e todos trouxeram sua expertise para a mesa para atingir esta meta”, disse ele.

Referência: “Desidrogenação de propano ativada por superfície de nitreto de silício catalisada por organozircônio suportado” por Joshua C. DeMuth, Yu Lim Kim, Jacklyn N. Hall, Zoha H. Syed, Kaixi Deng, Frédéric A. Perras, Magali S. Ferrandon, A. Jeremy Kropf, Cong Liu, David M. Kaphan e Massimiliano Delferro, 16 de maio de 2024, Jornal da Sociedade Química Americana.
DOI: 10.1021/jacs.4c02776

O apoio à pesquisa veio do Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE, Divisão de Ciências Químicas, Geociências e Biociências, programa de Ciência da Catálise.