Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y sus instituciones colaboradoras han diseñado un catalizador altamente selectivo que puede convertir el metano, un componente importante del gas natural, en metanol, un combustible líquido fácilmente transportable, en una reacción única de un solo paso. Como se describe en un artículo de investigación recién publicado en la revista Revista de la Sociedad Química EstadounidenseEste proceso directo de conversión de metano en metanol se lleva a cabo a una temperatura más baja que la requerida para preparar té y produce exclusivamente metanol sin subproductos adicionales.
Esto representa un avance importante con respecto a las conversiones tradicionales más complejas que normalmente requieren tres reacciones separadas, cada una en condiciones diferentes, incluidas temperaturas mucho más altas.
«Ponemos casi todo en una olla a presión y luego la reacción ocurre espontáneamente», dijo el ingeniero químico Juan Jiménez, becario postdoctoral en el Departamento de Química del Laboratorio Brookhaven y autor principal del estudio.
La simplicidad del sistema puede hacerlo particularmente útil para explotar reservas de gas natural «atrapadas» en áreas rurales aisladas, lejos de costosas infraestructuras de oleoductos y refinerías químicas, dijo Sanjaya Senanayake, un químico de Brookhaven que participó en el estudio. Tales despliegues locales eliminarían la necesidad de transportar GNL inflamable a alta presión.
«Podemos ampliar esta tecnología e implementarla localmente para producir metanol que pueda usarse en la producción de combustible, electricidad y productos químicos», dijo Senanayake.
Brookhaven Science Associates, que dirige el Laboratorio Brookhaven en nombre del Departamento de Energía, y la Universidad de Udine, que colabora en este trabajo, han solicitado un tratado de cooperación sobre el uso del catalizador para convertir metano en un solo paso. El equipo está explorando formas de trabajar con socios comerciales para llevar esta tecnología al mercado. Los impulsa la idea de “cerrar el ciclo del carbono” -es decir, reciclar el carbono para evitar su liberación a la atmósfera- para permitir soluciones energéticas limpias y libres de carbono.
“Como científicos, conocemos muy bien la ciencia y la tecnología, pero estamos trabajando con la Oficina de Asociaciones de Investigación y Transferencia de Tecnología de Brookhaven y estudiantes emprendedores que están haciendo el trabajo duro en el aspecto económico, para descubrir quiénes son los mejores clientes y potenciales. Los mercados deben ampliar esto”, dijo Jiménez.
De la ciencia básica a la preparación industrial
La ciencia básica detrás de esta conversión se basa en una década de investigación colaborativa. Los químicos de Brookhaven trabajaron con expertos del Laboratorio Nacional de Fuentes de Luz Sincrotrón II (NSLS-II) y el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE con una amplia gama de capacidades para rastrear las complejidades de las reacciones químicas y las catalizadores que los habilitan, así como investigadores del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía y colaboradores internacionales en Italia y España.
Estudios anteriores han trabajado en versiones idealizadas más simples del catalizador, que consisten en metales sobre soportes de óxido u óxido invertido sobre materiales metálicos. Los científicos utilizaron modelos informáticos y una combinación de técnicas en NSLS-II y CFN para aprender cómo funcionan estos catalizadores para romper y volver a formar enlaces químicos para convertir metano en metanol y dilucidar el papel del agua en la reacción.
«Estos estudios previos se realizaron en modelos simplificados de catalizadores en condiciones muy puras», dijo Jiménez. Estos estudios han proporcionado al equipo información valiosa sobre cómo deberían verse los catalizadores a nivel molecular y cómo podría ocurrir la reacción, «pero requieren una traducción a cómo se ven los catalizadores en el mundo real».
Como explicó Senanayake, “Lo que hizo Juan fue tomar esos conceptos que habíamos aprendido sobre la reactividad y refinarlos, trabajando con nuestros colegas de síntesis de materiales en la Universidad de Udine en Italia, teóricos del Instituto de Catálisis y Petroquímica y la Universidad Politécnica de Valencia en Spain y colegas de caracterización aquí en Brookhaven y Ames Lab: “Este nuevo trabajo valida las ideas detrás de trabajos anteriores y traduce la síntesis de catalizadores a escala de laboratorio en un proceso más práctico para producir cantidades de un kilogramo de polvo de catalizador que es directamente relevante para la industria. aplicaciones”.
Nuevas herramientas revelan la salsa secreta
La nueva receta del catalizador contiene un ingrediente adicional: una fina capa de carbono, la «interfaz» entre el metal y el óxido.
«A menudo se pasa por alto el carbono como catalizador, pero en este estudio llevamos a cabo una serie de experimentos y trabajos teóricos que revelaron que era una fina capa de carbono entre el paladio y el óxido de cerio lo que realmente impulsaba la química», dijo Jiménez. Era básicamente la salsa secreta. Ayuda al metal activo, el paladio, a convertir el metano en metanol.
Para explorar y, en última instancia, descubrir esta química única, los científicos han construido una nueva estructura de investigación en el Laboratorio del Grupo de Estructura y Reacción Catalítica del Departamento de Química y en NSLS-II.
«Esta es una reacción de tres etapas con componentes gaseosos, sólidos y líquidos (gas metano, peróxido de hidrógeno, agua en forma líquida y un catalizador en polvo sólido) y estos tres componentes reaccionan bajo presión», dijo Senanayake. Necesitábamos construir nuevos reactores presurizados de tres etapas para poder monitorear estos componentes en tiempo real.
El equipo construyó un único reactor en el Departamento de Química y utilizó espectroscopía infrarroja para medir las velocidades de reacción e identificar las especies químicas que surgieron en la superficie del catalizador a medida que avanzaba la reacción. Los químicos también confiaron en la experiencia de los científicos del NSLS-II, que construyeron reactores adicionales para instalarlos en dos líneas de luz del NSLS-II: espectroscopia interna (ISS) y sitio y tecnología de espectroscopia suave de rayos X (IOS), para que también puedan estudiar la reacción utilizando técnicas de rayos X.
El coautor del estudio, Dominik Wierzbicki, diseñó el reactor de la ISS para que el equipo pudiera estudiar la interacción gas-sólido-líquido a alta presión mediante espectroscopía de rayos X. En esta técnica, los rayos X «duros», que tienen una energía relativamente alta, permitieron a los científicos rastrear el metal activo, el paladio, en condiciones de reacción realistas.
«Esta tecnología generalmente requiere algún compromiso porque medir la interfaz gas-líquido-sólido es complejo y la alta presión agrega más desafíos», dijo Wierzbicki. «Agregar capacidades únicas para abordar estos desafíos en NSLS-II mejora nuestra comprensión de los mecanismos que implican». lugar bajo alta presión y abre nuevos horizontes «. Para la investigación de sincrotrones.
Los autores del estudio, Iradwikanari Waluyu y Adrian Hunt, dos científicos de líneas de luz del IOS, también construyeron un sistema de líneas de luz in situ y lo utilizaron para espectroscopia de rayos X «suaves» de baja energía para estudiar el óxido de cerio en la interfaz gas-sólido-líquido. Estos experimentos revelaron información sobre la naturaleza de las especies catalíticas activas durante las condiciones de reacción simuladas.
«Vincular la información del departamento de química a las dos líneas de luz requiere sinergia y constituye el núcleo de las nuevas capacidades», dijo Senanayake. «Este esfuerzo de colaboración ha aportado conocimientos únicos sobre cómo se produce la reacción», añadió, señalando este estudio como la primera evidencia de cómo estas herramientas multimodales pueden hacer avanzar la comprensión de los científicos sobre las reacciones catalíticas de alta presión.
«Los instrumentos que desarrollamos para este estudio ahora brindan capacidades in situ adicionales para otros usuarios de NSLS-II interesados en estudiar química bajo condiciones presurizadas en nuestras líneas de luz», dijo Waluyo.
Además, los colegas Jie Zhang y Long Qi del Laboratorio Ames realizaron estudios de RMN in situ, que brindaron a los científicos información clave sobre las primeras etapas de la reacción; Soyeon Hwang de CFN produjo impresionantes imágenes de microscopio electrónico de transmisión para identificar el carbono presente en el material. Los compañeros de equipo teóricos en España, liderados por Verónica Gianduglia Pirovano y Pablo Lustemberg, proporcionaron una explicación teórica del mecanismo catalítico mediante el desarrollo de un sofisticado modelo computacional de la reacción de tres etapas.
«Trabajamos con un equipo global para obtener una comprensión integral de la interacción y el mecanismo», dijo Senanayake.
Finalmente, el equipo descubrió cómo el estado activo de su catalizador de tres componentes (paladio, óxido de cerio y carbono) explota el complejo entorno de tres fases, líquida, sólida y gaseosa, para producir el producto final.
Ahora, en lugar de necesitar tres reacciones separadas en tres reactores diferentes que operan bajo tres conjuntos diferentes de condiciones para producir metanol a partir de metano con el potencial de producir subproductos que requieren costosos pasos de separación, el equipo tiene un catalizador de tres partes que impulsa un proceso de tres etapas. Reacción en un solo reactor con selectividad 100% de producción de metanol.
«Este es un ejemplo muy valioso de procesamiento neutral en carbono. Esperamos que esta tecnología se utilice ampliamente para aprovechar fuentes de metano actualmente sin explotar», dijo Senanayake.
«Esta investigación es evidencia de cómo las innovaciones en el diseño de catalizadores y la comprensión fundamental de cómo ocurren las reacciones ayudarán a avanzar en los procesos químicos en el futuro», dijo John Gordon, jefe del Departamento de Química.
La investigación realizada en el Laboratorio Nacional Brookhaven fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía y una Beca Distinguida Goldhaber para el Laboratorio Nacional Brookhaven. Los colaboradores y los recursos de supercomputación utilizados en este estudio contaron con financiamiento adicional, incluso de las organizaciones internacionales descritas en el artículo de investigación. Las operaciones de NSLS-II y CFN en Brookhaven también están financiadas por la Oficina de Ciencias.
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