Os químicos da Northwestern University se inspiraram nas plantas para revolucionar a forma como um importante produto químico industrial é feito.
Pela primeira vez no campo, a equipe da Northwestern usou luz e água para converter acetileno em etileno, um produto químico amplamente utilizado e altamente valioso que é um ingrediente-chave em plásticos.

Embora essa conversão normalmente exija altas temperaturas e pressões, hidrogênio inflamável e metais caros para conduzir a reação, o processo semelhante à fotossíntese da Northwestern é muito menos caro e consome menos energia. O novo processo não é apenas ecologicamente correto, mas também funciona incrivelmente bem – convertendo com sucesso quase 100% de acetileno em etileno.

“Na indústria, esse método requer processos de uso intensivo de energia que precisam de altas temperaturas, uma alimentação externa de gás hidrogênio inflamável e materiais contendo metais nobres, que são caros e difíceis de obter”, disse Francesca Arcudi, da Northwestern, co-autora do estudo. . "Nossa nova estratégia resolve todos esses problemas de uma vez. Ela opera usando luz e água no lugar de altas temperaturas e hidrogênio. E em vez de metais caros, usamos materiais naturalmente abundantes e baratos."

A estratégia resultante funcionou surpreendentemente bem. Enquanto o processo industrial atual resulta em 90% de seletividade para o eteno, a abordagem Northwestern tem 99% de seletividade para o eteno.

"Isso é importante porque é uma commodity química com alto valor econômico", disse Luka Ðorđević, da Northwestern, co-autor do estudo. "Quanto mais você puder produzir sem desperdício, melhor."

O estudo será publicado na quinta-feira (9 de junho) na revista Nature Chemistry. É o primeiro relato de pesquisadores usando luz para converter acetileno em etileno.

Este artigo é resultado de uma colaboração entre Emily Weiss e Samuel I. Stupp e seu esforço conjunto como parte do Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) na Northwestern. Weiss, professor de química no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern, é o autor correspondente do artigo. Arcudi é pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Weiss. Ðorđević é pós-doutorando no laboratório de Stupp. Stupp é Professor do Conselho de Curadores de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern, com nomeações no Weinberg College, na McCormick School of Engineering e na Northwestern University Feinberg School of Medicine.

"No CBES, nos esforçamos para enfrentar os desafios fundamentais, inspirando-nos na natureza", disse Stupp, diretor do CBES. "A vitamina B12, um dos poucos cofatores organometálicos de ocorrência natural, foi usada neste artigo como fonte de inspiração para projetar nosso catalisador".

Como precursor de 50-60% de todos os plásticos do mundo, o etileno é uma commodity quente. Para atender à crescente demanda pelo valioso produto químico, a indústria produz mais de 200 milhões de toneladas de eteno por ano.

Para gerar etileno, os químicos usam o craqueamento a vapor, um método industrial que emprega vapor quente para quebrar o etano em moléculas menores, que são então destiladas em etileno. Mas o produto químico resultante contém uma pequena quantidade de acetileno, um contaminante que desativa os catalisadores para evitar que o etileno se converta adequadamente em plástico. Antes que o etileno possa ser transformado em plástico, o acetileno deve ser removido ou convertido em etileno.

"A remoção ou conversão de acetileno para obter etileno puro é um processo bem conhecido na indústria", disse Weiss. "O processo tem muitos problemas, por isso a comunidade científica vem tentando propor uma alternativa a esse processo. A produção de eteno grau polímero a partir de matéria-prima de dióxido de carbono é uma alternativa desejável, mas essa rota ainda não está suficientemente desenvolvida. Nossa estratégia é um primeiro e importante passo para a produção deste importante produto químico com a menor pegada de energia possível."

Em particular, é necessária uma quantidade incrível de energia para atingir as altas temperaturas e pressões necessárias para uma reação química bem-sucedida. Também requer catalisadores caros feitos de metais nobres, como o paládio. E como o processo depende de prótons do hidrogênio, que é produzido a partir de combustíveis fósseis, gera grandes quantidades de dióxido de carbono.

A estratégia da Northwestern contorna todas essas questões. Para converter acetileno em etileno, os químicos da Northwestern substituíram o catalisador de paládio por cobalto, uma alternativa mais barata e mais abundante. Eles também usaram temperatura ambiente e pressão ambiente. No lugar do calor, eles usaram luz visível. E, finalmente, eles substituíram o hidrogênio por água pura como fonte de prótons.

O estudo é intitulado "Fotocatálise seletiva de luz visível de acetileno em etileno usando um catalisador molecular de cobalto e água como fonte de prótons". + Explorar mais

Pesquisadores propõem novo método para hidrogenação eletrocatalítica de acetileno em etileno sob temperatura ambiente