O etileno é por vezes considerado o produto químico mais importante na indústria petroquímica porque serve como matéria-prima para uma enorme gama de produtos de uso diário. É usado para produzir anticongelante, vinil, borracha sintética, isolamento de espuma e plásticos de todos os tipos.



Atualmente, o etileno é produzido através de um processo que consome muita energia e recursos chamado steam cracking, onde extremos de temperatura e pressão produzem etileno a partir de petróleo bruto na presença de vapor – e, no processo, emitem toneladas de dióxido de carbono na atmosfera.

Outra maneira pela qual o etileno pode ser produzido, entretanto, é através de um processo denominado acoplamento oxidativo do metano (OCM). Tem potencial para ser uma alternativa mais ecológica ao craqueamento a vapor, mas até recentemente, a quantidade de etileno que produz não tornava o processo economicamente viável.

"Até agora, o rendimento catalítico tem sido inferior a 30% para uma única passagem, o que significa apenas passar o metano e o oxigênio através do catalisador e obter etileno do outro lado", diz Bar Mosevitzky Lis, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Química. e Engenharia Biomolecular no P.C. da Lehigh University. Faculdade Rossin de Engenharia e Ciências Aplicadas.

“Estudos que simularam todo o processo industrial utilizando OCM mostraram que a tecnologia não se torna lucrativa até que o rendimento de passe único atinja entre 30 e 35%.”

OCM está agora um passo mais perto de sair do laboratório e entrar no mundo real. Pela primeira vez, pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) e da Universidade Lehigh, em colaboração com pesquisadores do Instituto de Conversão de Energia de Guangzhou e da Universidade de Ciência e Tecnologia do Leste da China, desenvolveram um catalisador OCM que excede 30% quando é trata da produção de eteno.

O artigo que descreve sua descoberta foi publicado recentemente na Nature Communications .

A colaboração foi liderada por Fanxing Li, professor de engenharia da Alcoa na NCSU. Sua equipe desenvolveu uma classe de core-shell Li₂ CO₃ óxidos mistos de terras raras revestidos como catalisadores para o acoplamento oxidativo de metano usando um esquema de looping químico. O resultado foi um rendimento de passagem única de até 30,6%.

“A ideia do loop químico é que, em vez de co-alimentar metano e oxigênio na câmara com o catalisador, você faça isso sequencialmente”, diz Mosevitzky Lis, que também é um dos coautores do estudo.

"Com o tempo, você perde oxigênio do catalisador e ele se torna ineficaz. Com o loop químico, você começa com metano, depois muda para oxigênio, depois volta para metano, e o oxigênio serve para reoxidar continuamente o catalisador, reabastecendo assim sua capacidade de fornecer oxigênio para a reação."

Mosevitzky Lis e sua equipe em Lehigh - liderada por Israel Wachs, professor de Engenharia Química e Biomolecular G. Whitney Snyder e diretor do Laboratório de Pesquisa de Catálise e Espectroscopia Molecular Operando - fizeram a caracterização do catalisador.

"Nossa especialização é na caracterização de superfície in situ", diz Mosevitzky Lis, "o que significa que caracterizamos a superfície dos catalisadores enquanto a reação está em andamento. Aplicamos uma ampla gama de técnicas físicas e químicas para compreender as transformações pelas quais os catalisadores passam enquanto a reação catalítica ocorre em sua superfície e como essas transformações se relacionam com o que os torna tão bons catalisadores."

Ele diz que o catalisador é composto por um núcleo de óxido misto coberto por carbonato de lítio, e a interação entre o núcleo e o invólucro durante o loop químico é responsável pelo alto rendimento. Os resultados significam que, pela primeira vez, a transformação do metano – que pode ser encontrado no gás natural e no biogás – em etileno poderá estar ao alcance da indústria.

“O OCM tem potencial para ser mais barato e mais eficiente quando se trata de energia e emissões”, diz ele. “Além disso, em vez de usar petróleo bruto, você está usando metano que normalmente vem do gás natural, mas também pode ser gerado no futuro a partir do biogás e da redução eletroquímica do dióxido de carbono. transformando-o em inúmeros produtos que são usados ​​por todo o mundo."

O próximo passo é determinar a adequação do catalisador para produção em escala industrial enquanto tenta aumentar ainda mais o rendimento. Por enquanto, porém, ter finalmente melhorado um método que continua sendo uma promessa não cumprida desde a década de 1980 é um marco.

“A complexidade do sistema e a dinâmica que ocorre é quase como arte”, diz Mosevitzky Lis. "Tanto o núcleo quanto a casca do catalisador passam por processos muito extremos, gerando todo tipo de coisas interessantes na superfície. É lindo."

Mais informações: Kun Zhao et al, Óxidos mistos de terras raras promovidos por carbonato de lítio como uma estratégia generalizada para acoplamento oxidativo de metano com rendimentos excepcionais, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43682-5
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Lehigh University