Um grupo internacional de cientistas desvendou o segredo de um catalisador à base de ouro que é responsável por um novo, método ambientalmente amigável de produção do monômero de cloreto de vinila (VCM) que é usado para fabricar cloreto de polivinila (PVC), o terceiro plástico mais usado do mundo.

Usando técnicas de espectroscopia baseada em síncrotron e microscopia eletrônica avançada, os pesquisadores determinaram que os íons de ouro isolados convertem o acetileno de forma mais eficaz, um gás derivado do carvão, às moléculas VCM que podem ser subsequentemente ligadas para formar o PVC.

Sua descoberta surge em meio a esforços para substituir o método convencional de conversão de acetileno, que usa um catalisador contendo mercúrio volátil e potencialmente tóxico, com um mais estável, método não poluente que emprega um catalisador de ouro com suporte de carbono.

Os pesquisadores, que são do Reino Unido e dos Estados Unidos, relataram suas descobertas hoje (30 de março) em Ciência revista, o principal jornal de ciência do mundo, em um artigo intitulado "Identificação de catálise de ouro de sítio único na hidrocloração de acetileno."

O autor principal do artigo é Grazia Malta, do Cardiff Catalysis Institute da Cardiff University, no Reino Unido, que foi supervisionado por Graham J. Hutchings, o diretor do Instituto. Os participantes da pesquisa da Lehigh University foram Christopher J. Kiely, professor de ciência dos materiais e engenharia química e Li Lu, um Ph.D. candidato em ciência dos materiais. Kiely também é codiretora do Cardiff Catalysis Institute.

O grupo examinou os catalisadores antes e após o uso no microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) JEOL JEM-ARM200CF com correção de aberração de Lehigh, que é um dos instrumentos mais poderosos de seu tipo e permite imagens e análises químicas de materiais em nível atômico.

O grupo também realizou experimentos de estrutura fina de absorção de raios-X estendida (EXAFS) e de absorção de raios-X perto da estrutura da borda (XANES) usando o Diamond Synchrotron Facility no Reino Unido para estudar o catalisador em condições de reação de trabalho.

"Esses experimentos nos ajudaram a determinar que o ouro atomicamente disperso - onde os átomos são separados no suporte de carbono e não se tocam - é a forma ideal de espécie catalítica para essa reação, "diz Kiely.

"Eles também nos mostraram que você precisa que os átomos de ouro sejam ionizados, ou seja, faltando alguns de seus elétrons - para que a conversão ocorra. "

Liderado por C. Richard A. Catlow do Cardiff Catalysis Institute e University College London, o grupo também modelou teoricamente a reação usando íons de ouro isolados e confirmou os resultados experimentais.

"Os cientistas sabem que é possível usar ouro atomicamente disperso em reações catalisadas homogêneas realizadas em solução, "diz Kiely." Aqui, conseguimos ancorar ouro atomicamente disperso em um suporte sólido e obter um efeito semelhante. "

Kiely e Hutchings, que colaboraram por várias décadas, relatado em um artigo na revista Nature Communications no ano passado que, para outra reação, nomeadamente a oxidação a baixa temperatura de monóxido de carbono em dióxido de carbono, uma entidade de ouro diferente - aglomerados ultrapequenos consistindo de alguns átomos de ouro - eram as espécies mais ativas.

Os resultados de ambos os projetos ajudarão Kiely e Hutchings a projetar e otimizar sistemas catalisadores à base de ouro para uso em outras reações importantes, como a reação de deslocamento água-gás, que gera hidrogênio.

O PVC se tornou uma parte indispensável da vida moderna. Suas aplicações incluem tubos de construção, cartões de crédito, caixilhos de janelas e portas, equipamento de encanamento, e isolamento de cabos elétricos.

Além da hidrocloração de acetileno, o precursor da molécula VCM para o PVC pode ser feito de etileno, um subproduto do refino de petróleo que também pode ser isolado do gás natural. Mas a hidrocloração de acetileno continua sendo o caminho predominante para a produção de PVC em alguns países que possuem reservas abundantes de carvão.

Para converter acetileno derivado de carvão no precursor VCM, diz Kiely, engenheiros químicos no último meio século reagiram com ácido clorídrico (HCl) na presença de um catalisador de cloreto de mercúrio. Mas o catalisador é volátil nas temperaturas de reação, permitindo que o mercúrio tóxico evapore, escapar para o meio ambiente e poluir terras agrícolas e corpos d'água.

No início dos anos 1980, Hutchings mostrou que uma forma mais benigna, catalisador de ouro suportado em carbono pode ser usado para converter acetileno em VCM. Sua descoberta atraiu alguma atenção na época, mas não foi explorado comercialmente porque o catalisador exigia quantidades relativamente grandes de ouro caro e não era muito estável.

Em 2007, Johnson Matthey, uma empresa global de especialidades químicas com sede no Reino Unido, interessou-se pelos resultados de Hutchings e começou a trabalhar para fazer um catalisador de ouro sobre carbono estável usando menos ouro. A empresa desenvolveu um catalisador chamado Pricat MFC, que agora entrou em uso comercial em uma grande fábrica chinesa de PVC. China, o maior produtor e consumidor mundial de PVC, ainda depende do carvão para produzir o produto VCM.

Enquanto isso, a Convenção de Minamata sobre Mercúrio de 2013, que foi assinado por quase 140 nações, proíbe a construção de novas fábricas de VCM utilizando cloreto de mercúrio após 2017 e exige que todas as fábricas de VCM sejam livres de mercúrio até 2022.

O trabalho inicial de Hutchings, os esforços de comercialização por Johnson Matthey e a descoberta mais recente do funcionamento em escala atômica do catalisador de ouro sustentado por carbono, diz Kiely, dar motivos para ter esperança de que os objetivos da Convenção de Minamata possam ser alcançados.

Eles também representam uma conquista quase sem precedentes no campo da catálise.

"Os cientistas estão sempre ajustando e otimizando as formulações de catalisadores, "diz Kiely." Mas, esta é a primeira vez em 50 anos que me lembro onde substituímos um catalisador padrão da indústria usado em uma reação importante por um sistema de catalisador totalmente diferente. "