Este estudo apresenta novas formas de transformar metano e óxido nitroso em substâncias de valor agregado, contribuindo para a descarbonização da indústria química. Crédito:Tokyo Tech O metano, um gás com efeito de estufa que contribui significativamente para o aquecimento global, é também uma importante fonte de energia e um recurso químico essencial. Quando usado como matéria-prima química, o metano é normalmente convertido primeiro em metanol e depois em hidrocarbonetos. No entanto, esta conversão sequencial requer configurações industriais complexas. Mais importante ainda, uma vez que o metano é uma molécula muito estável, a sua conversão em metanol requer enormes quantidades de energia quando se utilizam meios convencionais, tais como a reforma a vapor do metano.
Neste contexto, a conversão catalítica do metano em metanol ou outros produtos químicos tem atraído muita atenção dos cientistas, que estão ansiosos por encontrar soluções mais eficientes em termos energéticos e sustentáveis. Entre os catalisadores relatados recentemente, os zeólitos contendo cobre (Cu) mostraram-se promissores para a conversão de metano em metanol em condições amenas. Infelizmente, o rendimento e a seletividade da maioria dos catalisadores relatados têm sido baixos, o que significa que grandes quantidades de subprodutos indesejáveis são geradas juntamente com o metanol.
Em um estudo recente publicado na Nature Communications , uma equipe de pesquisa incluindo o professor associado Toshiyuki Yokoi do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão, investigou um novo tipo de catalisador zeólito bifuncional. Curiosamente, este zeólito à base de aluminossilicato contendo Cu é capaz de converter metano e óxido nitroso, outro gás de efeito estufa, diretamente em compostos valiosos através de uma série de reações intermediárias.
Uma das principais questões abordadas pelos pesquisadores foi como a distribuição espacial dos diferentes sítios ativos no catalisador afetou o resultado das reações. Para tanto, eles prepararam múltiplos catalisadores usando não apenas diferentes concentrações de Cu e sítios ácidos (prótons) em soluções aquosas, mas também diferentes técnicas de mistura física para amostras sólidas.
Através de diversas técnicas experimentais e analíticas, os pesquisadores descobriram que a proximidade entre os sítios de Cu e ácidos era crucial para a determinação dos produtos finais. Mais especificamente, eles relataram que quando os sítios de Cu estavam próximos uns dos outros, o metanol produzido nos sítios de Cu a partir do metano tinha uma maior probabilidade de ser superoxidado por um sítio de Cu adjacente, transformando-o em dióxido de carbono. Em contraste, quando os locais de Cu e os locais ácidos estavam próximos um do outro, o metanol reagiu com o óxido nitroso em um local ácido adjacente para produzir hidrocarbonetos valiosos e gás nitrogênio inofensivo.
"Concluímos que para a produção estável e eficiente de metanol e, em última análise, de hidrocarbonetos úteis a partir do metano, é necessário distribuir uniformemente os locais de Cu e os locais de ácido e mantê-los a uma distância adequada um do outro", explica Yokoi. “Também descobrimos que a distribuição dos produtos obtidos também é influenciada pelas propriedades ácidas e pela estrutura dos poros do catalisador zeólito.”
Uma das vantagens mais notáveis do catalisador proposto é a sua capacidade de sustentar reações em tandem, ou seja, um processo simples que combina várias etapas em uma e elimina simultaneamente dois gases de efeito estufa nocivos diferentes. Esta propriedade será fundamental para tornar tais sistemas catalíticos atraentes em um ambiente industrial.
“Esperamos que nosso trabalho oriente esforços futuros para alcançar a oxidação do metano em metanol e abra caminhos para promover a síntese de hidrocarbonetos usando metanol como intermediário”, conclui Yokoi.
