El polipropileno es un tipo común de plástico que se encuentra en muchos productos esenciales que se utilizan hoy en día, como envases de alimentos y dispositivos médicos. Dado que el polipropileno es tan popular, la demanda de los productos químicos utilizados para fabricarlo está aumentando. Puede producirse a partir de productos químicos, propileno, propano. El propano es un gas natural que se utiliza habitualmente en las parrillas para barbacoa.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne y del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han informado sobre un método más rápido y más eficiente energéticamente para producir propileno que los procesos utilizados actualmente.
La conversión de propano en propileno generalmente implica agregar un catalizador metálico como cromo o platino a un material de soporte, como óxido de aluminio o dióxido de silicio. Un catalizador acelera una reacción. Sin embargo, también requiere altas temperaturas de funcionamiento y consumo de energía.
En un proyecto colaborativo, los científicos de Argonne y Ames descubrieron que el circonio combinado con nitruro de silicio mejora la conversión catalítica del gas propano en propileno. Lo hace de una manera que reacciona más rápido, es menos tóxico y utiliza menos energía que otros metales no preciosos como el cromo. También es menos costoso que los catalizadores de metales preciosos como el platino.
El descubrimiento también sugiere una forma de reducir la temperatura del proceso catalítico. A su vez, esto reduce la cantidad de dióxido de carbono emitido. El dióxido de carbono representa alrededor del 80 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de Estados Unidos.
Además, esta investigación proporciona una idea de reacciones viables con otros metales de bajo costo en la conversión catalítica de propano en propileno.
Desde hace algún tiempo, los químicos de Argonne, David Kaffin y Max Delfro, estudian sistemáticamente cómo las superficies no convencionales afectan y promueven la catálisis.
Como investigadores principales de este estudio, querían comprender cómo funcionan los catalizadores metálicos no convencionales en tipos de soportes no convencionales en comparación con los materiales utilizados convencionalmente durante la conversión catalítica de propano.
Los materiales de soporte del catalizador suelen tener áreas superficiales elevadas y ayudan a distribuir el catalizador. También pueden desempeñar un papel importante en la promoción de la catálisis, como se muestra en este estudio.
El equipo de investigación descubrió que un catalizador de circonio sobre un soporte de nitruro de silicio lograba una catálisis significativamente más activa para la conversión de propano en propileno. En cambio, este no fue el caso para el soporte de sílice.
También descubrieron que el soporte de nitruro de silicio permitía la catálisis de una manera más rápida y energéticamente más eficiente que los metales convencionales sobre sílice. Como soporte del catalizador, el nitruro de silicio puede mejorar las reacciones químicas en superficies metálicas en comparación con los óxidos utilizados más convencionalmente.
Los científicos lograron la conversión catalítica de propano a una temperatura de 842 grados F. Esto es ligeramente inferior a los 1022 grados F que normalmente se requieren para la catálisis utilizando materiales convencionales.
Además, cuando se operaron a la misma temperatura que los catalizadores convencionales para esta transformación, las velocidades de reacción fueron significativamente más rápidas que para materiales similares con soportes de óxido.
Este hallazgo también proporciona evidencia de que este concepto puede generalizarse a otras reacciones importantes.
“Esto proporciona una ventana a las reacciones metálicas asistidas por nitruro. Vemos prometedor el uso de otros metales de transición donde podemos explotar esta diferencia en el entorno local de la superficie del nitruro para mejorar la catálisis”, dijo Coffin.
Esta investigación se benefició de la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. En la línea de luz 10-BM, los investigadores utilizaron espectroscopia de absorción de rayos X para comprender en qué se diferencia la interacción del catalizador de circonio con el material de nitruro de la interacción con el material de óxido.
Los investigadores de Argonne también colaboraron con Frederick Peras, científico del Laboratorio Nacional Ames, para comprender mejor la estructura del catalizador de nitruro de circonio/silicio. Utilizó una técnica de resonancia magnética nuclear mejorada con polarización nuclear dinámica para analizar cómo reacciona el nitruro de silicio con los sitios metálicos.
“La estructura de la superficie del nitruro de silicio es en gran medida desconocida, que es lo que encontré más interesante de este trabajo”, dijo Perras, quien también es profesor asociado adjunto en la Universidad Estatal de Iowa.
Según Delfro, la combinación de técnicas de caracterización de materiales disponibles en Argonne y Ames y la experiencia de las personas que trabajaron en el artículo contribuyeron al éxito del experimento.
“Una sola persona no puede hacerlo todo. Es realmente un esfuerzo de equipo, y todos aportan su experiencia para lograr este objetivo”, dijo.
Se publicó un artículo sobre el estudio. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. Además de Delferro, Kaphan y Perras, los autores incluyen a Joshua DeMuth, Yu Lim Kim, Jacklyn Hall, Zoha Syed, Kaixi Deng, Magali Ferrandon, A. Jeremy Kropf y Liu Cong.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, Programa de Ciencias de Catálisis del DOE.
