La oxidación directa del metano, que se encuentra en el gas natural, en metanol a bajas temperaturas ha sido durante mucho tiempo un santo grial. Ahora, los investigadores de Tufts han encontrado una forma innovadora de lograr la hazaña utilizando un catalizador heterogéneo y oxígeno molecular barato.según un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza por un equipo dirigido por ingenieros químicos de la Universidad de Tufts.
El metanol es una materia prima clave para la producción de productos químicos, algunos de los cuales se utilizan para fabricar productos como plásticos, madera contrachapada y pinturas. El metanol también puede alimentar vehículos o reformarse para producir hidrógeno de alta calidad para pilas de combustible.
Sin embargo, el método actual para producir metanol a partir de gas de síntesis derivado del metano o del carbón implica un proceso de varios pasos que no es eficiente ni económico en aplicaciones a pequeña escala. Como resultado, las emisiones de metano de los pozos de petróleo, que representan 210miles de millones de pies cúbicos de gas natural al año, se ventilan y se queman, según la Administración de Información de Energía de EE. UU. Mientras tanto, el crecimiento de la fracturación hidráulica, o fracking, y el uso posterior de gas de esquisto, cuyo componente principal es el metano,aumentó drásticamente el suministro de gas natural en los Estados Unidos y aceleró el deseo de convertir el metano en productos químicos más valiosos, como mediante la oxidación a metanol o la carbonilación a ácido acético.
Como resultado, los científicos han estado buscando formas más eficientes y menos costosas de convertir el metano con un proceso que usa oxígeno molecular económico en condiciones suaves en las que se usan temperaturas y presiones relativamente bajas. El beneficio potencial es significativo. En 2000, ella disponibilidad de gas de esquisto barato representó solo el 1 por ciento de los suministros de gas natural de Estados Unidos, mientras que hoy representa más del 60 por ciento.
Los investigadores dirigidos por Tufts descubrieron que podían usar oxígeno molecular y monóxido de carbono para la conversión directa de metano en metanol catalizado por especies de dicarbonilo de rodio mononucleares soportadas, ancladas en las paredes internas de los poros de las zeolitas o en la superficie de soportes de dióxido de titanio quese suspendieron en agua a presión suave 20 a 30 bar y temperatura 110 a 150 grados C.
El mismo catalizador también produce ácido acético a través de un esquema de reacción diferente que no involucra al metanol como intermedio. El monóxido de carbono es esencial para la reacción catalítica, que es heterogénea. Es posible ajustar la reacción al metanol o al ácido acético controlando adecuadamentelas condiciones de operación, especialmente la acidez del soporte. Incluso después de muchas horas de reacción, no hay lixiviación del catalizador en el agua, encontró el estudio.
La autora principal del artículo, Maria Flytzani-Stephanopoulos, Ph.D., profesora distinguida y profesora dotada de Robert y Marcy Haber en sostenibilidad energética en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tufts, dijo que los investigadores estaban muy sorprendidos al encontrar que el carbonoera necesario monóxido en la mezcla de gases para producir metanol.
"Atribuimos esto a la retención del sitio activo carbonilado", dijo Flytzani-Stephanopoulos. Curiosamente, nuestro catalizador no carbonila el metanol. En su lugar, carbonila el metano directamente en ácido acético, que es un hallazgo muy emocionante ".
"Aunque se necesitan más estudios, nos alienta que este proceso sea prometedor para un mayor desarrollo. No solo podría ser eficaz en la producción de metanol y ácido acético directamente a partir del metano, sino que también podría hacerlo de una manera más eficiente energéticamente y respetuosa con el medio ambiente.más que los procesos actuales ", agregó.
El becario postdoctoral JunJun Shan y el estudiante de doctorado Mengwei Li, quienes son los primeros autores del artículo, prepararon catalizadores de Rh soportados mediante procedimientos de síntesis relativamente simples. El objetivo principal fue dispersar atómicamente las especies de rodio, lo cual se logró mediante un tratamiento térmico especialprotocolo sobre el soporte de zeolita y anclando especies precursoras de rodio en titania reducida asistida por irradiación UV. El estado atómico de rodio es necesario para que ocurra la reacción, dijo Shan.
Lawrence F. Allard, Ph.D., distinguido miembro del personal de investigación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y coautor del artículo, dijo que la microscopía electrónica con corrección de aberraciones fue crucial para respaldar la investigación.
"La obtención de imágenes 'directas' de dispersiones de un solo átomo junto con métodos químicos y espectroscópicos 'indirectos' más estándar ha sido una poderosa combinación de capacidades que permiten que estos estudios tengan tanto éxito", dijo Allard.
Flytzani-Stephanopoulos dirige el Laboratorio de nanocatálisis y energía de Tufts, en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica, que investiga nuevos materiales catalizadores para la producción de hidrógeno y productos químicos "verdes". El trabajo pionero de su laboratorio ha demostrado el uso de sustancias heterogéneascatalizadores de un solo átomo de metal para reacciones de interés para el procesamiento de combustibles y para la producción de productos básicos y productos químicos de valor agregado, con mejores rendimientos y menor huella de carbono, mientras se utilizan metales preciosos de manera sostenible y más eficiente.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tufts . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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