Estruturas cristalinas microscópicas chamadas estruturas metal-orgânicas (MOFs) podem fornecer uma maneira de resolver um dos maiores problemas na catálise de funcionalização do metano, um processo químico economicamente importante.

O boom de produção de gás de xisto nos últimos anos levou muitos pesquisadores a procurar novas maneiras de funcionalizar o metano, ou seja, transformá-lo em algo mais valioso. Um desses produtos pode ser o metanol.

"Existem muitas maneiras de funcionalizar o metano, mas uma forma que seria econômica e abundante é a transformação de metano em metanol, "disse Max Delferro, o líder do grupo do programa de ciência da catálise no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Infelizmente, o metano é uma das moléculas mais estáveis. É difícil ativar o metano. "

Mas agora, uma equipe liderada por Delferro e Omar Farha, professor associado de química da Northwestern University, demonstrou uma nova maneira de ativar o metano com MOFs, como resultado de seus esforços conjuntos no Inorganometallic Catalyst Design Center, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo DOE. Eles e sete co-autores publicaram recentemente seu método em Catálise Natural .

"Este exemplo mostra como projetar materiais cristalinos, em particular MOFs, levará a soluções de oportunidades complexas, mas estimulantes, "disse Farha, que também é presidente e cofundador da NuMat Technologies.

Uma molécula de metano consiste em um átomo de carbono ligado a quatro átomos de hidrogênio. Mas a funcionalização das ligações carbono-hidrogênio no metano é um processo particularmente desafiador que a maioria dos catalisadores conhecidos pode alcançar apenas em condições extremamente ácidas e / ou oxidantes.

A equipe Argonne-Northwestern, Contudo, mostrou pela primeira vez que os MOFs podem produzir seletivamente um produto específico de metano infundido com boro por catálise seletiva de forma, uma técnica industrial amplamente utilizada para síntese de produtos químicos e processamento de hidrocarbonetos. A catálise seletiva de forma pode distinguir entre moléculas que são ligeiramente diferentes em tamanho e podem formar seletivamente apenas um produto químico desejado. Mas para a técnica funcionar, o espaço dos poros do catalisador deve ser comparável ao tamanho das moléculas envolvidas na reação.

Desde 1960, zeólitas têm sido comumente usadas para realizar este tipo de catálise. Os zeólitos são minerais cristalinos microporosos que costumam incluir silício, alumínio e oxigênio. Eles são comumente usados ​​como adsorventes e catalisadores comerciais e têm uma estrutura semelhante a uma gaiola na qual as moléculas do reagente podem ficar presas. Mas se as moléculas são muito grandes para caber dentro da estrutura, nenhuma catálise pode ocorrer.

Em MOFs, moléculas orgânicas e aglomerados de óxidos metálicos servem como elos e nós, respectivamente. MOFs são candidatos atraentes para realizar catálise seletiva de forma porque são estruturalmente ajustáveis, observou o autor principal Xuan Zhang da Northwestern e seus colegas no artigo da Nature Catalysis. Ao contrário dos zeólitos, eles podem ser sintetizados com tamanhos de poros e aberturas feitos sob medida para moléculas-alvo.

“Max Delferro e Omar Farha são excelentes cientistas que se beneficiam da infraestrutura oferecida pelo Inorganometallic Catalyst Design Center para realizar pesquisas de ponta que irão promover o conhecimento e a economia de nossa nação, "disse Laura Gagliardi, diretor do Centro de Design de Catalisador Inorganometálico, baseado na Universidade de Minnesota.

Os pesquisadores buscaram inspiração para este trabalho em dois artigos publicados consecutivamente em 25 de março, 2016, emissão de Ciência , por equipes da Universidade de Michigan e da Universidade da Pensilvânia. Essas equipes mostraram como poderiam introduzir um composto à base de boro, em um processo chamado borylation, e oferecem uma rota promissora para a ativação do metano sob condições químicas mais suaves do que seria possível.

As equipes de Michigan e da Pensilvânia observaram separadamente o processo de borylation produzindo produtos que eram tanto monoborylated (tecnologicamente valiosos) quanto bisborylated (indesejados). Mas, ao inserir um catalisador à base de irídio (sintetizado na Northwestern) dentro dos MOFs, a equipe de Argonne-Northwestern foi capaz de produzir uma reação que formou apenas o produto monoborylated; os poros dos MOFs eram muito pequenos para que o produto bisborilado se formasse.

Os químicos da Northwestern também borylated o metano simultaneamente sob uma variedade de condições de reação no Laboratório de Pesquisa de Alto Rendimento de Argonne. A equipe então documentou detalhes do estado de oxidação do catalisador de irídio em experimentos de absorção de raios-X na linha de raios-X da Equipe de Pesquisa de Materiais de Acesso Colaborativo (MR-CAT) dentro da Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility.

Na próxima fase da pesquisa, Delferro e Farha tentarão ativar o metano com a mesma química, mas eles irão substituir metais abundantes na Terra, como o ferro, cobalto, níquel e cobre para irídio, o que é raro e caro.

"Estamos entusiasmados com o futuro desta química, "Delferro disse." Se pudermos fazer a mesma química com o ferro, então estamos realmente no negócio. "

Artigo da Nature Catalysis "Catalytic Chemoselective Functionalization of Methane in a Metal-Organic Framework, "também inclui os membros da equipe de Argonne, Zhiyuan Huang, Magali Ferrandon e Dali Yang como autores.