A capacidade recém-desenvolvida de explorar depósitos de gás de xisto anteriormente inacessíveis durante a última década criou uma fonte abundante de gases, incluindo metano, etano e propano, que são usados ​​para criar produtos de base química, como plásticos. Mas a indústria química dos EUA precisa de cientistas, incluindo aqueles do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), para ajudar a transformar esse novo fornecimento de matéria-prima em uma vantagem tecnológica competitiva.

Em uma variedade de programas de pesquisa, Os especialistas da Argonne estão encontrando maneiras de fabricar produtos derivados de depósitos de gás de xisto de forma mais barata e eficiente e estão identificando novas rotas para fazer catalisadores de alto desempenho.

"A fim de maximizar os benefícios e aproveitar as vantagens da fonte econômica atual de gás natural e líquidos de gás natural para criar investimentos e empregos nos Estados Unidos, é importante desenvolver processos novos e mais eficientes relacionados à conversão catalítica de gás natural em materiais de alto valor, "afirmou um relatório de 2016 da National Academy of Sciences.

O gás de xisto é um gás natural encontrado em formações rochosas de xisto criadas há centenas de milhões de anos. A parte úmida do gás de xisto contém uma variedade de alcanos, uma família de hidrocarbonetos comercialmente importantes que inclui etano e propano. A indústria química está interessada em alcanos que podem ser convertidos em alcenos - uma classe de hidrocarbonetos úteis na fabricação de uma variedade de materiais, principalmente polímeros como polietileno e polipropileno. O programa de ciência da catálise de Argonne já desenvolveu um método bem-sucedido para converter alcanos em alcenos de maneira eficaz. Agora, os pesquisadores também investigam como podem fazer outros compostos de interesse para a indústria química.

"O objetivo é entender como manipular catalisadores de sítio único em superfícies e como podemos alcançar alta seletividade para transformação de alcano leve em produtos de valor agregado, como olefinas, que encontraram amplo uso na indústria de manufatura, "disse Max Delferro, um químico Argonne que lidera o grupo de catálise do laboratório.

Os cientistas da Argonne concentram grande parte de seu trabalho em catalisadores de um único local por causa da promessa que eles mostram para alta atividade e seletividade de produto. Esse trabalho resultou em dois pedidos de patente dos EUA para o desenvolvimento de catalisadores multimetálicos que desidrogenam seletivamente o n-butano em 1, 3-butadieno (BDE). BDE é um bloco de construção principal da borracha sintética, que os fabricantes de polímeros têm usado para fazer pneus de automóveis.

As tecnologias de processo atuais para conversão de alcanos em alcenos envolvem coque, um processo de deposição de carbono que interfere na atividade catalítica. "O problema com a coqueificação é que você não está convertendo sua matéria-prima no produto que deseja. Você está convertendo-a em um subproduto, "disse Ted Krause, um engenheiro químico e chefe de departamento na divisão de Ciências Químicas e Engenharia da Argonne. A tecnologia de catalisador de local único da Argonne desidrogena alcanos sem promover a coqueificação.

O trabalho visa uma gama de catalisadores e reações a partir dos quais as empresas privadas podem selecionar para otimização e comercialização. “Um dos principais objetivos é transferir o conhecimento das ciências básicas da energia para os mercados, "disse Delferro.

Krause lidera um segundo projeto, financiado através do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE) Escritório de Tecnologias de Bioenergia do DOE. Neste projeto, pesquisadores usam espectroscopia de raios-X na Advanced Photon Source (APS), um DOE Office of Science User Facility, para entender como os catalisadores reagem e como se desativam.

Os cientistas de catálise da Argonne estão trabalhando com várias empresas na indústria de biocombustíveis e bioquímica por meio de acordos cooperativos para estimular o desenvolvimento de materiais catalíticos. Em experimentos APS, Os pesquisadores da Argonne testam reações catalíticas com um feixe de raios-X para monitorar as mudanças que os catalisadores sofrem durante as condições reais de trabalho.

A ciência da catálise tem sido um pilar do APS desde que o APS começou a operar em 1996. As capacidades de experimentação in situ e operando são um ponto forte importante do APS, permitindo medições sob condições do mundo real, disse Greg Halder, Executivo de desenvolvimento de negócios na divisão de Comercialização e Parcerias de Tecnologia da Argonne.

"Essas abordagens abrangem um conjunto de linhas de luz que permitem que a indústria observe as reações acontecerem em tempo real e meça o desempenho catalítico monitorando com precisão uma gama de propriedades químicas e físicas, "Halder disse." Esta informação pode então ser combinada com dados experimentais e computacionais e experiência para desenvolver a próxima geração de catalisadores. "

Os pesquisadores da Argonne se especializam em entender por que os catalisadores se desativam - por que morrem - e no desenvolvimento de técnicas para mitigar esse processo.

"A vida útil do catalisador é um fator crítico de custo, "Krause disse." Se for curto, você precisa de um processo de regeneração, porque o custo de trocá-lo por um catalisador novo pode ser proibitivo. Mesmo para catalisadores de longo prazo, conforme eles começam a se desativar com o tempo, você tende a perder seletividade para o produto desejado, então você tende a fazer menos do produto desejado. "

Chris Marshall, um químico pesquisador sênior do grupo de catálise, lidera um projeto financiado pelo DOE EERE Advanced Manufacturing Office para desenvolver recursos para estender a vida útil do catalisador. "Desenvolvemos técnicas para estabilizar catalisadores, particularmente sob condições de reação adversas, "Krause disse.

Além de sua experiência, Argonne está equipado com uma infraestrutura que acelera a descoberta de materiais e condições de processo. A ferramenta catalisadora do laboratório para síntese de deposição de camada atômica oferece controle preciso sobre o processo em nível atômico, e a plataforma de síntese robótica de alto rendimento da Argonne seleciona vários catalisadores simultaneamente para uma ampla variedade de reações e condições de reação.