Una nueva reacción química apoya los procesos industriales neutros en carbono

Un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha descubierto los mecanismos detrás de un catalizador muy eficaz para el reformado en seco de metano, una reacción química en la que dos gases de efecto invernadero, el metano y el dióxido de carbono, se convierten simultáneamente. en una mezcla de moléculas de hidrógeno y monóxido de carbono. Esta mezcla generalmente se denomina gas de síntesis o «syngas» porque se utiliza para la preparación de productos químicos y combustibles de alto valor.

El metano y el dióxido de carbono son liberados a la atmósfera por varias fuentes, incluidos los vertederos y las plantas de procesamiento de gas natural (el metano es un componente clave del gas natural). Por lo tanto, el reformado en seco de metano ofrece una vía para generar sustancias químicas valiosas a partir del gas de síntesis al tiempo que reduce la emisión de dos potentes gases de efecto invernadero basados ​​en el carbono. Esto requiere el uso de catalizadores industrialmente relevantes que puedan ayudar con más de una reacción y, a nivel molecular, tengan sitios activos que puedan permitir químicas complejas.

El catalizador estudiado aquí es uno de esos ejemplos. Está compuesto de paladio (Pd), cerio (Ce) y oxígeno (O), donde el Ce y el O toman la forma de óxido de cerio, CeO.₂. CEO₂ tiene una estructura molecular que incorpora fácilmente grupos de átomos de paladio; esta interacción entre el CeO₂ y el paladio, que es impulsado por un proceso mecánico llamado «molienda de bolas», es esencial para el éxito del catalizador.

La molienda de bolas, también llamada síntesis mecanoquímica, es un enfoque en seco para fabricar polvos catalizadores altamente activos y selectivos. Elimina los inconvenientes de los métodos estándar de química húmeda, como la separación de solventes, que es costosa y consume mucha energía. Esta ventaja clave ha despertado un interés renovado en la molienda de bolas, que podría usarse para fabricar una gran cantidad de catalizadores únicos y altamente activos.

«La síntesis de materiales de química húmeda suele consumir más energía de principio a fin. Por ejemplo, es posible que tenga que hervir el agua o el solvente al final, lo que requiere mucha energía. La molienda de bolas evita esto por completo», dijo el líder del estudio. autor, el químico de Brookhaven Juan Jiménez, quien recibió la Beca Distinguida Goldhaber de Brookhaven en 2021 para buscar formas innovadoras de utilizar metano para producir productos químicos valiosos.

«Una de las principales ventajas de la síntesis mecanoquímica es su potencial para escalar y expandirse a nivel industrial», agregó el químico de Brookhaven Sanjaya Senanayake, quien dirigió el estudio. «Como investigadores de un laboratorio nacional del DOE, estamos interesados ​​en el trabajo que pueda ayudar a mejorar la infraestructura energética de nuestro país. Esta reacción es una forma de hacerlo: la conversión de gases de efecto invernadero en sustancias químicas y materiales útiles para evitar la emisión a la atmósfera es una enfoque principal para las estrategias de carbono negativo, como Carbon Negative Shot del DOE».

El «Carbon-Negative Shot» es uno de los seis ejes de la Iniciativa Earthshots de energía del DOE, un amplio programa para abordar el cambio climático acelerando los avances en soluciones sostenibles de energía limpia.

Jiménez y sus colegas creen que el enfoque de síntesis del catalizador de molienda de bolas podría aplicarse de manera mucho más amplia en la industria. Incluso puede cambiar significativamente el campo de la química «verde», cuyo objetivo es diseñar productos químicos y procesos que reduzcan o eliminen el uso o la generación de sustancias peligrosas.

«Este puede ser el comienzo de un cambio en la forma en que pensamos sobre la química sostenible», dijo.

El trabajo del grupo se publica en la edición en línea del 7 de octubre de 2022 de Catálisis ACS y también aparece en la portada de la revista.

Observando el catalizador en acción

El grupo estudió el catalizador utilizando varios enfoques experimentales de última generación, incluidos estudios de rayos X en dos instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE: Fuente de luz de sincrotrón nacional II de Brookhaven, utilizando Quick X-ray Absorción y dispersión (QAS) línea de luz y la fuente de fotones avanzada de Argonne. Ambas instalaciones de sincrotrón producen haces de rayos X altamente enfocados para estudiar los comportamientos y estructuras a nivel molecular de una gran variedad de materiales.

Las técnicas de rayos X de sincrotrón, realizadas «in situ», es decir, en el entorno de reacción y en tiempo real, permitieron a los investigadores estudiar la estructura atómica cambiante del catalizador a medida que interactuaba con los gases reaccionantes. Para hacer esto, utilizaron un dispositivo llamado celda de flujo, que contiene la muestra de catalizador mientras la mezcla de metano y dióxido de carbono pasa sobre ella. Luego calentaron la celda a temperaturas de hasta 700 grados Celsius (alrededor de 1300 grados Fahrenheit), que está cerca de los límites experimentales de la técnica in situ.

Los resultados mostraron que el actor principal en el proceso de catálisis es el paladio, aunque el componente de óxido de cerio proporciona un papel fundamental de apoyo. Los átomos de paladio, agrupados en nanopartículas, se depositan en el CeO₂ superficie y se unen a los átomos de oxígeno. Esto permite que las nanopartículas de Pd se anclen más fuertemente y se dispersen de manera más uniforme en el CeO.₂ superficie. Cuando el metano (CH4) interactúa con las nanopartículas, se disocia en moléculas de hidrógeno (H2) y carbono (C).

Esto da como resultado un entorno rico en hidrógeno. Cada átomo de carbono puede entonces recoger un átomo de oxígeno (oxidándose), convirtiéndose en monóxido de carbono (CO). Esto puede suceder en una de dos maneras. La primera es tomando oxígeno del CeO cercano.₂. La segunda forma es crítica porque inicia la reacción de reformado en seco: el carbón se oxida por medio del CO₂ gas, que se disocia en monóxido de carbono y oxígeno cuando pasa sobre el catalizador.

Estos hallazgos se observaron experimentalmente con una claridad sin precedentes utilizando espectroscopia infrarroja in situ para seguir cada molécula de reactivo individual en acción.

Los investigadores también encontraron que la reacción tiene un producto intermedio inesperado, CO unido a átomos de Pd, que resulta de la oxidación directa del metano. Su presencia podría ser un punto de referencia que ayude a indicar la eficacia de otras reacciones catalíticas mecanoquímicas. El grupo está explorando cómo usar este estudio como modelo para volver a examinar la catálisis de otros sistemas químicos y encontrar formas innovadoras de utilizar la química única de los catalizadores mecanoquímicos para sistemas de reacción más desafiantes.