Tudo, desde a produção de fertilizantes e plásticos, a combustíveis líquidos e farmacêuticos requerem uma importante reação química conhecida como hidrogenação. Este é um processo que envolve a adição de hidrogênio a ligações químicas insaturadas. Aumentar a taxa de hidrogenação pode levar a maiores rendimentos para as indústrias e menores impactos ambientais.

Agora, uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Associado Yan Ning do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), desenvolveu um método para aumentar a taxa de hidrogenação do etileno em mais de cinco vezes em comparação com as taxas industriais típicas.

A equipe conseguiu isso usando uma abordagem radicalmente diferente. Ao contrário da maioria dos processos de hidrogenação atuais que usam um catalisador sólido estático para acelerar a reação, a técnica desenvolvida por pesquisadores da NUS aplica potenciais elétricos oscilantes a um catalisador de hidrogenação comercial, que então aumentou dramaticamente a taxa de hidrogenação de etileno para etano.

"Esses aprimoramentos nas taxas ou seletividade das reações químicas são fundamentais para tornar um processo químico mais eficiente. Nosso trabalho demonstra uma maneira mais direta e econômica de otimizar o desempenho do catalisador que está além dos métodos convencionais, "Assoc Prof Yan disse.

O trabalho inovador da equipe foi publicado em JACS Au em 14 de abril de 2021.

Melhorar a catálise de hidrogenação com potenciais elétricos oscilantes

A maioria dos catalisadores de hidrogenação foi desenvolvida ao longo de muitos séculos, mas o desenvolvimento de novos catalisadores tem sido tipicamente limitado a abordagens convencionais de design de materiais. Alguns estudos mostraram que a catálise pode ser promovida pela aplicação de potenciais elétricos ao catalisador. Embora esses métodos já tenham melhorado a seletividade e a atividade de catalisadores heterogêneos sob condições estáticas, o uso de estímulos externos dinâmicos tem sido pouco explorado.

As novas descobertas da equipe NUS oferecem uma ferramenta de engenharia avançada usando potenciais elétricos oscilantes para promover a taxa de reações químicas sem o desenvolvimento de novos materiais catalíticos.

Para alcançar isto, a equipe da NUS realizou experimentos usando um catalisador de paládio comercial em um reator eletroquímico em escala de laboratório, e observou um aumento de taxa de cinco vezes em condições dinâmicas ideais. Eles conseguiram correlacionar o aumento da taxa com a capacitância de camada dupla - um indicador da intensidade do campo elétrico local na interface catalisador-eletrólito - usando diferentes soluções de eletrólito. As propriedades do catalisador mudaram periodicamente e continuamente, o que acelerou as etapas envolvidas na reação de hidrogenação do etileno.

Os pesquisadores realizaram mais experimentos cinéticos, que sugeriu que o aumento pode estar relacionado à remoção parcial de hidrogênio fortemente adsorvido da superfície do catalisador em um potencial negativo, e a subsequente adsorção e hidrogenação de etileno em um potencial positivo.

As descobertas da equipe ilustram a viabilidade do uso de potenciais oscilantes para melhorar a taxa catalítica de uma reação de hidrogenação relativamente simples. Uma abordagem semelhante poderia ser estendida para controlar a atividade e seletividade de uma ampla gama de reações catalíticas.

Próximos passos

A equipe NUS está conduzindo mais estudos para melhorar sua compreensão dos princípios fundamentais por trás de sua nova técnica. Eles também estão procurando desenvolver ainda mais sua abordagem em uma estratégia geral para melhorar os catalisadores além de seu 'ótimo estático'.