Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) e instituciones colaboradoras han diseñado un catalizador altamente selectivo que puede convertir el metano, un componente importante del gas natural, en metanol, un combustible líquido capaz de transportarse fácilmente, en un solo paso. . reacción como se describe en un artículo publicado recientemente. Revista de la Sociedad Química Estadounidenseeste proceso de conversión directa de metano a metanol opera a temperaturas más bajas que las necesarias para preparar té y produce exclusivamente metanol sin subproductos adicionales.
Este es un avance importante con respecto a las conversiones convencionales más complejas que generalmente requieren tres reacciones separadas, cada una en condiciones diferentes, incluidas temperaturas muy altas.
“Prácticamente ponemos todo en una olla a presión y luego la reacción ocurre automáticamente”, dijo el ingeniero químico Juan Jiménez, becario postdoctoral Goldhaber en la División de Química del Brookhaven Lab y autor principal del artículo.
La simplicidad del sistema podría hacerlo particularmente útil para aprovechar las reservas de gas natural en áreas rurales aisladas, lejos de la costosa infraestructura de oleoductos y refinerías químicas, dijo el químico de Brookhaven y coautor del estudio, Sanjay Senanayake. Tales despliegues locales eliminarían la necesidad de transportar gas natural licuado inflamable a alta presión.
“Podemos ampliar esta tecnología y desplegarla localmente para producir metanol que pueda usarse para la producción de combustible, electricidad y productos químicos”, dijo Senanaike.
Brookhaven Science Associates, que gestiona el Brookhaven Lab en nombre del DOE, y la Universidad de Udine, colaboradores en el trabajo, han solicitado un acuerdo de colaboración de patente sobre el uso del catalizador para la conversión de metano en un solo paso. El equipo está explorando formas de trabajar con socios comerciales para llevar la tecnología al mercado. Están motivados por la idea de “cerrar el ciclo del carbono” (esencialmente, reciclar el carbono para evitar que se libere a la atmósfera) para permitir soluciones de energía limpia con cero emisiones netas de carbono.
“Como científicos, conocemos muy bien la ciencia y la tecnología, pero estamos trabajando con la Oficina de Transferencia de Tecnología y Asociaciones de Investigación de Brookhaven y estudiantes de negocios que están trabajando en el lado económico, sabiendo que para ampliar quiénes son los mejores clientes y mercados potenciales, “, dijo Jiménez.
De la ciencia básica a la preparación para la industria
La ciencia básica detrás del cambio se basa en una década de investigación colaborativa. Los químicos de Brookhaven trabajaron con expertos de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II) del laboratorio y el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que rastrean las complejidades de las reacciones químicas. y los catalizadores que los habilitan, así como investigadores del Laboratorio Nacional Ames del DOE y colaboradores internacionales en Italia y España.
Los primeros estudios trabajaron con versiones idealizadas más simples del catalizador, que consistían en metales sobre soportes de óxido u óxidos invertidos sobre materiales metálicos. Los científicos de NSLS-II y CFN utilizaron una variedad de técnicas y modelos computacionales para aprender cómo estos catalizadores rompen y reforman los enlaces químicos para convertir metano en metanol y aclarar el papel del agua en la reacción.
“Estos primeros estudios se realizaron con catalizadores modelo simples en condiciones muy primitivas”, dijo Jiménez. Le dieron al equipo información valiosa sobre cómo debería verse el catalizador a escala molecular y cómo probablemente se desarrollaría la reacción, “pero necesitaban una traducción de cómo se ve un material catalizador del mundo real”, dijo.
Como explicó Senanaike, “lo que Juan ha hecho es tomar los conceptos que aprendimos sobre las reacciones y refinarlos, trabajando con sus colegas de síntesis de materiales en la Universidad de Udine en Italia. Hoy, teórico del Instituto de Catálisis y Petroquímica de la Universidad Politécnica de Valencia, España, y colaborador de caracterización aquí en Brookhaven y el laboratorio Ames, este nuevo trabajo valida las ideas detrás del trabajo anterior y la síntesis del catalizador a escala de laboratorio “Esto se traduce en un proceso mucho más práctico para fabricar kilogramos”. polvos catalíticos a escala que son directamente relevantes para aplicaciones industriales”.
Nuevas herramientas descubren la salsa secreta.
La nueva composición del catalizador incluye un ingrediente adicional: una fina capa de carbono “interfacial” entre el metal y el óxido.
“A menudo se pasa por alto el carbono como catalizador”, dijo Jiménez. “Pero en este estudio, hicimos mucho trabajo experimental y teórico que demostró que una fina capa de carbono entre el paladio y el óxido de cerio realmente catalizó la química de metano a metanol”.
Para explorar y, en última instancia, demostrar esta química única, los científicos crearon una nueva infraestructura de investigación tanto en la División de Química como en el Grupo de Estructura y Reactividad del Laboratorio de Catálisis en NSLS-II.
“Es una reacción de tres fases con componentes gaseosos, sólidos y líquidos, es decir, gas metano, peróxido de hidrógeno y agua en forma líquida, y un catalizador en polvo sólido, y estos tres componentes reaccionan bajo presión. Por lo tanto, necesitamos construir nuevos reactores trifásicos presurizados para que podamos monitorear estos componentes en tiempo real”, dijo Senanayake.
El equipo construyó un reactor en la división de química y utilizó espectroscopía infrarroja para medir las velocidades de reacción e identificar especies químicas producidas en la superficie del catalizador a medida que avanzaba la reacción. Los químicos también confiaron en la experiencia de los científicos de NSLS-II que construyeron reactores adicionales para instalarlos en dos líneas de luz de NSLS-II: la espectroscopia de capa interna (ISS) y en el sitio y Operando Soft X-ray Spectroscope (IOS), para que también puedan estudiar reacciones utilizando técnicas de rayos X.
Dominik Wierzbecki de NSLS-II, coautor del estudio, trabajó para diseñar el reactor de la ISS para que el equipo pudiera estudiar reacciones gas-sólido-líquido a alta presión mediante espectroscopía de rayos X. En esta técnica, los rayos X “duros”, que tienen energías relativamente altas, permitieron a los científicos seguir el metal activo, el paladio, en condiciones de reacción realistas.
“Normalmente, esta técnica requiere compromisos porque medir la interfaz gas-líquido-sólido es complejo, y la alta presión añade aún más desafíos”, dijo Wierzbicki. “Agregar capacidades únicas a NSLS-II para abordar estos desafíos está avanzando en nuestra comprensión mecanicista de las reacciones de alta presión y abriendo nuevas vías para la investigación sinérgica”.
Los autores del estudio, Iradwikanari Waluyo y Adrian Hunt, científicos de líneas de luz del IOS, también construyeron una configuración a bordo en su línea de luces para estudiar el óxido de cerio en la interfaz gas-sólido-líquido utilizando rayos X “suaves” de baja energía utilizados para la espectroscopia de rayos. Estos experimentos revelaron información sobre la naturaleza de las especies catalíticas activas en condiciones de reacción simuladas.
“Existe una necesidad de sinergia para conectar la información de la división de química a las dos líneas de luz y este es el núcleo de las nuevas capacidades”, dijo Senanayake. “Este esfuerzo de colaboración ha arrojado conocimientos únicos sobre cómo pueden ocurrir las reacciones”, añadió, señalando que el estudio es la primera demostración de que una herramienta multimodal de caracterización puede hacer avanzar la comprensión de los científicos sobre las reacciones catalíticas de alta presión.
“Las herramientas que desarrollamos para este estudio ahora brindan capacidades adicionales para otros usuarios de NSLS-II interesados en estudiar la química bajo condiciones de presión en nuestras líneas de luz”, dijo Wallow.
Además, los colegas Ji Zhang y Long Qi del laboratorio Ames realizaron estudios de resonancia magnética nuclear, que proporcionaron a los científicos importantes conocimientos sobre las primeras etapas de la reacción; Y Sooyeon Hwang del CFN produjo impresionantes imágenes de microscopía electrónica de transmisión para identificar el carbono en el material. Los colegas teóricos del equipo en España, dirigidos por Verónica Ganduglia-Pirovano y Pablo Lustemberg, proporcionaron una explicación teórica del mecanismo catalítico mediante el desarrollo de un sofisticado modelo computacional para la reacción de tres fases.
“Trabajamos con un equipo global para lograr una comprensión integral de las reacciones y los mecanismos”, dijo Senanaike.
Finalmente, el equipo descubrió cómo el estado activo de su catalizador de tres componentes, hecho de paladio, óxido de cerio y carbono, explotaba el complejo microambiente trifásico líquido-sólido-gas para producir el producto final.
Ahora, en lugar de requerir tres reacciones separadas en tres reactores diferentes para producir metanol a partir de metano que requieren costosos pasos de separación, el equipo tiene un catalizador de tres partes que permite una reacción de tres fases. Todo con 100% de selectividad para la producción de metanol en un solo reactor.
“Este es un ejemplo muy valioso de procesamiento neutro en carbono”, dijo Senanayake. “Esperamos ver esta tecnología implementada a gran escala para aprovechar fuentes de metano actualmente sin explotar”.
“Esta investigación demuestra cómo las innovaciones en el diseño de catalizadores y una comprensión fundamental de cómo ocurren las reacciones pueden ayudar a avanzar en los procesos químicos futuros”, dijo John Gordon, jefe de la división de química.
La investigación realizada en el Laboratorio Nacional Brookhaven fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE y una beca distinguida Goldhaber del Laboratorio Nacional Brookhaven. Los colaboradores y los recursos de supercomputación utilizados para este estudio contaron con el apoyo de financiación adicional, incluso de 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.
