Pesquisadores no noroeste do Pacífico desenvolveram um novo material catalisador que pode substituir os produtos químicos atualmente derivados do petróleo e ser a base para produtos mais ecológicos, incluindo gás que aumenta a octanagem e aditivos de combustível. borracha de base biológica para pneus e um solvente mais seguro para a indústria química.

Para fazer biocombustíveis sustentáveis, os produtores querem fermentar o etanol de plantas não alimentícias, como pés de milho e ervas daninhas. Atualmente, os principais valores do chamado bioetanol são como substituto não poluente de aditivos de combustível que aumentam a octanagem, para evitar batidas do motor, e como substituto renovável de certa porcentagem da gasolina. Para transformar o bioetanol em outros produtos úteis, pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia e da Universidade Estadual de Washington desenvolveram um novo material catalisador que o converterá em uma substância química chamada isobuteno. E pode fazer isso em uma etapa de produção, o que pode reduzir custos.

Relatado por pesquisadores do Instituto de Catálise Integrada do PNNL e da Escola de Engenharia Química e Bioengenharia da Gene e Linda Voiland da WSU, as descobertas apareceram em 21 de julho no Jornal da American Chemical Society .

“O isobuteno é um produto químico versátil que pode expandir as aplicações do bioetanol produzido de forma sustentável, "disse o engenheiro químico Yong Wang, que tem um compromisso conjunto no PNNL em Richland, Wash. E na WSU em Pullman, Lavagem., e lidera os esforços de pesquisa em ambas as instituições.

Além disso, este catalisador requer a presença de água, permitindo que os produtores usem bioetanol diluído e mais barato, em vez de ter que purificá-lo primeiro, potencialmente mantendo os custos mais baixos e os tempos de produção mais rápidos.

Sem Z-Z-Z para os cansados

Uma chave importante para desbloquear as energias renováveis ​​para substituir os produtos de combustíveis fósseis é o catalisador. Um catalisador é uma substância que promove reações químicas de interesse. O conversor catalítico em um carro, por exemplo, acelera as reações químicas que quebram os gases poluentes, limpar o escapamento de um veículo.

Os pesquisadores do PNNL e WSU estavam tentando fazer combustível de hidrogênio a partir do etanol. Para melhorar um catalisador convencional, eles pegaram óxido de zinco e óxido de zircônio e os combinaram em um novo material chamado óxido misto - o zinco e os átomos de zircônio tecidos através de um cristal de átomos de oxigênio. Testando o óxido misto, O pesquisador de pós-doutorado do PNNL Junming Sun viu não apenas hidrogênio, mas - inesperadamente - bastante isobuteno (EYE-SO-BEW-TEEN).

O hidrogênio é ótimo, mas isobuteno é melhor. Os químicos podem fazer borracha para pneus com ele ou um solvente mais seguro que pode substituir os tóxicos para limpeza ou uso industrial. O isobuteno também pode ser prontamente transformado em combustível de aviação e aditivos para gasolina que aumentam a octanagem - valor listado nas bombas de gasolina que evita que um motor bata - como o ETBE.

Sol brilha

Ninguém nunca tinha visto um catalisador criar isobuteno a partir do etanol em uma reação química de uma etapa antes, portanto, os pesquisadores perceberam que tal catalisador poderia ser importante na redução do custo dos biocombustíveis e produtos químicos renováveis.

Investigando o catalisador em maior profundidade, os pesquisadores examinaram o que aconteceu quando eles usaram diferentes quantidades de zinco e zircônio. Eles mostraram que um catalisador feito apenas de óxido de zinco converteu o etanol principalmente em acetona, um ingrediente em removedor de esmalte. Se o catalisador contiver apenas óxido de zircônio, converteu etanol principalmente em etileno, um produto químico feito por plantas que amadurecem frutas.

Mas o isobuteno? Isso só surgiu em quantidades úteis quando o catalisador continha zinco e zircônio. E "quantias úteis" significa "muito". Com uma proporção de 1:10 de zinco para zircônio, o catalisador de óxido misto pode transformar mais de 83% do etanol em isobuteno.

"Conseguimos consistentemente um rendimento de 83 por cento com maior vida útil do catalisador, "disse Wang." Ficamos felizes em ver aquele rendimento muito alto. "

Visão Reacionária

Os pesquisadores analisaram a química para descobrir o que estava acontecendo. Nos experimentos de óxidos de metal único, o óxido de zinco criou a acetona, enquanto o óxido de zircônio criou o etileno. A maneira mais fácil de chegar ao isobuteno a partir daí, teoricamente falando, é converter acetona em isobuteno, do qual o óxido de zircônio é normalmente capaz. E o caminho do etanol ao isobuteno só poderia ser tão produtivo quanto Sun descobriu se o óxido de zircônio não fosse desviado, transformando etanol em etileno ao longo do caminho.

Algo sobre o óxido misto, então, evitou que o óxido de zircônio transformasse o etanol no indesejado etileno. A equipe argumentou que o isobuteno provavelmente surgiu do óxido de zinco transformando o etanol em acetona, depois, o óxido de zircônio - influenciado pelo óxido de zinco próximo - transformando a acetona em isobuteno. Ao mesmo tempo, a influência do óxido de zinco impediu a conversão de etanol em etileno pelo óxido de zircônio. Embora sejam duas etapas de reação para o catalisador, é apenas um para os químicos, já que eles só tinham que colocar o catalisador com etanol e água uma vez.

Para se ter uma ideia de quão próximas as reações tiveram que acontecer umas com as outras para o isobuteno aparecer, a equipe combinou óxido de zinco em pó e óxido de zircônio em pó. Isso diferia do óxido misto em que os átomos de zinco e zircônio não foram incorporados nas mesmas partículas de catalisador. Esses pós mistos transformaram o etanol principalmente em acetona e etileno, com algumas quantidades de outras moléculas e menos de 3 por cento de isobuteno, indicando que a magia do catalisador veio da microestrutura do material de óxido misturado.

Balancing Act

Então, os pesquisadores exploraram a microestrutura usando instrumentos e conhecimentos da EMSL, Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do DOE no campus PNNL. Usando ferramentas de alta potência chamadas microscópios eletrônicos de transmissão, a equipe viu que o catalisador de óxido misto era feito de partículas cristalinas de tamanho nanométrico.

Uma análise mais detalhada dos catalisadores de melhor desempenho revelou óxido de zinco distribuído uniformemente sobre as regiões de óxido de zircônio. O catalisador de pior desempenho - com uma proporção de zinco para zircônio de 1:1 - revelou regiões de óxido de zinco e regiões de óxido de zircônio. Isso sugeriu à equipe que os dois metais deveriam estar próximos um do outro para transformar rapidamente a acetona em isobuteno.

Resultados experimentais de outros métodos analíticos indicaram que a equipe poderia otimizar o tipo de reações químicas que levam ao isobuteno e também evitar que o catalisador se desativasse ao mesmo tempo. O equilíbrio elegante de locais ácidos e básicos nos óxidos mistos reduziu significativamente o carbono de se acumular e destruir os catalisadores, o que reduz sua vida útil.

Future work will look into optimizations to further improve the yield and catalyst life. Wang and colleagues would also like to see if they can combine this isobutene catalyst with other catalysts to produce different chemicals in one-pot reactions.