Investigadores liderados por la Universidad de Manchester han diseñado un catalizador que convierte la biomasa en fuentes de combustible con una eficiencia notablemente alta y ofrece nuevas posibilidades para la fabricación de materiales renovables avanzados.

Los experimentos de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía desempeñaron un papel clave en la determinación de la dinámica química y de comportamiento de un catalizador de zeolita (la zeolita es un material poroso común utilizado en catálisis comercial) para proporcionar información para maximizar su rendimiento.

El catalizador optimizado, llamado NbAlS-1, convierte las materias primas derivadas de la biomasa en olefinas ligeras, una clase de petroquímicos como el eteno, propeno, y buteno, utilizado para fabricar plásticos y combustibles líquidos. El nuevo catalizador tiene un rendimiento impresionante de más del 99%, pero requiere mucha menos energía en comparación con sus predecesores. La investigación del equipo se publica en la revista Materiales de la naturaleza .

"La industria depende en gran medida del uso de olefinas ligeras de petróleo crudo, pero su producción puede tener impactos negativos en el medio ambiente, ", dijo el autor principal Longfei Lin de la Universidad de Manchester." Los catalizadores anteriores que producían buteno a partir de compuestos oxigenados purificados requerían mucha energía, o temperaturas extremadamente altas. Este nuevo catalizador convierte directamente compuestos oxigenados crudos en condiciones mucho más suaves y con mucha menos energía y es más respetuoso con el medio ambiente ".

La biomasa es materia orgánica que se puede convertir y utilizar como combustible y materia prima. Suele derivarse de los residuos agrícolas sobrantes, como la madera, césped, y paja que se descompone y se introduce en un catalizador que lo convierte en buteno, un gas rico en energía utilizado por las industrias química y del petróleo para fabricar plásticos. polímeros y combustibles líquidos que de otro modo se producen a partir del petróleo.

Típicamente, una reacción química requiere una enorme cantidad de energía para romper los fuertes enlaces formados por elementos como el carbono, oxígeno, e hidrógeno. Algunos enlaces pueden requerir calentarlos a 1, 000 ° C (más de 1, 800 ° F) y más caliente antes de que se rompan los enlaces.

Para un diseño más ecológico, el equipo dopó el catalizador reemplazando los átomos de silicio de la zeolita con niobio y aluminio. La sustitución crea un estado químicamente desequilibrado que promueve la separación de enlaces y reduce radicalmente la necesidad de altos grados de tratamientos térmicos.

"La química que tiene lugar en la superficie de un catalizador puede ser extremadamente complicada. Si no tiene cuidado al controlar cosas como la presión, temperatura, y concentración, terminarás haciendo muy poco buteno, ", dijo el investigador de ORNL, Yongqiang Cheng." Para obtener un alto rendimiento, tienes que optimizar el proceso, y para optimizar el proceso hay que entender cómo funciona ".

Los neutrones son muy adecuados para estudiar reacciones químicas de este tipo debido a sus propiedades de penetración profunda y su aguda sensibilidad a elementos ligeros como el hidrógeno. El espectrómetro VISION en la fuente de neutrones de espalación de ORNL permitió a los investigadores determinar con precisión qué enlaces químicos estaban presentes y cómo se comportaban basándose en las firmas vibratorias de los enlaces. Esa información les permitió reconstruir la secuencia química necesaria para optimizar el rendimiento del catalizador.

"Hay muchas pruebas y errores asociados con el diseño de un catalizador de alto rendimiento como el que hemos desarrollado, ", dijo el autor correspondiente, Sihai Yang, de la Universidad de Manchester." Cuanto más entendemos cómo funcionan los catalizadores, cuanto más podamos guiar el proceso de diseño de materiales de próxima generación ".

Se utilizaron mediciones de difracción de rayos X de sincrotrón en la fuente de luz Diamond del Reino Unido para determinar la estructura atómica del catalizador y se realizaron mediciones complementarias de dispersión de neutrones en la fuente de neutrones y muones ISIS del laboratorio Rutherford Appleton.

Además de Lin, Cheng, y Yang, la lista de coautores incluye a Alena M. Sheveleva, Iván da Silva, Christopher M. A. Parlett, Zhimou Tang, Yueming Liu, Abanico mengtiano, Xue Han, Joseph H. Carter, Atún Floriana, Eric J. L. McInnes, Luke L. Daemen, Svemir Rudić, Aníbal J. Ramírez-Cuesta, y Chiu C. Tang.