Un grupo internacional de científicos ha descubierto el secreto de un catalizador a base de oro que es responsable de un nuevo, método ecológico de producción del monómero de cloruro de vinilo (VCM) que se utiliza para fabricar cloruro de polivinilo (PVC), el tercer plástico más utilizado del mundo.

Utilizando técnicas de espectroscopía basadas en sincrotrón y microscopía electrónica avanzada, Los investigadores han determinado que los iones de oro aislados convierten de forma más eficaz el acetileno, un gas derivado del carbón, a las moléculas de VCM que pueden unirse posteriormente para formar PVC.

Su descubrimiento se produce en medio de los esfuerzos por reemplazar el método convencional de conversión de acetileno, que utiliza un catalizador volátil y potencialmente tóxico que contiene mercurio, con una mas estable, Método no contaminante que emplea un catalizador de oro con soporte de carbono.

Los investigadores, que son del Reino Unido y los Estados Unidos, informaron sus hallazgos hoy (30 de marzo) en Ciencias revista, la revista científica más importante del mundo, en un artículo titulado "Identificación de catálisis de oro de sitio único en hidrocloración de acetileno".

La autora principal del artículo es Grazia Malta del Cardiff Catalysis Institute de la Universidad de Cardiff en el Reino Unido, quien fue supervisada por Graham J. Hutchings, el director del Instituto. Los participantes de la Universidad de Lehigh en la investigación fueron Christopher J. Kiely, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería química y Li Lu, un doctorado candidato en ciencia de materiales. Kiely también es codirectora del Cardiff Catalysis Institute.

El grupo examinó los catalizadores antes y después de su uso en el microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) JEOL JEM-ARM200CF con corrección de aberraciones de Lehigh, que es uno de los instrumentos más poderosos de su tipo y permite la obtención de imágenes y el análisis químico de materiales a nivel atómico.

El grupo también realizó experimentos de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) y absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES) utilizando la instalación de sincrotrón de diamantes en el Reino Unido para estudiar el catalizador en condiciones de reacción de trabajo.

"Estos experimentos nos ayudaron a determinar que el oro disperso atómicamente, donde los átomos están separados en el soporte de carbono y no se tocan, es la forma ideal de especies catalíticas para esta reacción". "dice Kiely.

"También nos mostraron que es necesario ionizar los átomos de oro, es decir, faltan algunos de sus electrones, para que se produzca la conversión ".

Dirigido por C. Richard A. Catlow del Cardiff Catalysis Institute y University College London, el grupo también modeló teóricamente la reacción utilizando iones de oro aislados y confirmó los resultados experimentales.

"Los científicos han sabido que se puede utilizar oro atomizado disperso en reacciones catalizadas homogéneas realizadas en solución, "dice Kiely." Aquí, hemos logrado anclar oro atomizado disperso sobre un soporte sólido y lograr un efecto similar ".

Kiely y Hutchings, que han colaborado durante varias décadas, informó en un artículo en la revista Nature Communications el año pasado que para otra reacción, a saber, la oxidación a baja temperatura del monóxido de carbono en dióxido de carbono, una entidad de oro diferente — grupos ultrapequeños que constan de unos pocos átomos de oro — eran las especies más activas.

Los resultados de ambos proyectos ayudarán a Kiely y Hutchings a diseñar y optimizar los sistemas catalíticos a base de oro para su uso en otras reacciones importantes. como la reacción de cambio de agua-gas, que genera hidrógeno.

El PVC se ha convertido en una parte indispensable de la vida moderna. Sus aplicaciones incluyen tuberías de construcción, tarjetas de crédito, marcos de puertas y ventanas, equipo de plomería, y aislamiento de cables eléctricos.

Además de la hidrocloración de acetileno, la molécula de VCM precursora del PVC se puede fabricar a partir de etileno, un subproducto de la refinación de petróleo que también se puede aislar del gas natural. Pero la hidrocloración de acetileno sigue siendo la vía predominante para la producción de PVC en algunos países que tienen abundantes reservas de carbón.

Para convertir el acetileno derivado del carbón en el precursor de VCM, dice Kiely, Los ingenieros químicos durante el último medio siglo lo han hecho reaccionar con ácido clorhídrico (HCl) en presencia de un catalizador de cloruro de mercurio. Pero el catalizador es volátil a temperaturas de reacción, permitiendo que el mercurio tóxico se evapore, escapar al medio ambiente y contaminar las tierras agrícolas y los cuerpos de agua.

A principios de la década de 1980, Hutchings demostró que un más benigno, Se podría usar un catalizador de oro con soporte de carbono para convertir acetileno en VCM. Su descubrimiento atrajo cierta atención en ese momento, pero no se explotó comercialmente ya que el catalizador requería cantidades relativamente grandes de oro caro y no era muy estable.

En 2007, Johnson Matthey, una empresa global de productos químicos especializados con sede en el Reino Unido, se interesó en los resultados de Hutchings y comenzó a trabajar para hacer un catalizador estable de oro sobre carbono utilizando menos oro. La empresa desarrolló un catalizador llamado Pricat MFC, que ahora ha entrado en uso comercial en una gran planta china de PVC. Porcelana, el mayor productor y consumidor mundial de PVC, todavía depende del carbón para producir el producto VCM.

Mientras tanto, el Convenio de Minamata sobre el mercurio de 2013, que ha sido firmado por casi 140 naciones, prohíbe la construcción de nuevas plantas de VCM que utilicen cloruro de mercurio después de 2017 y requiere que todas las plantas de VCM estén libres de mercurio para 2022.

Los primeros trabajos de Hutchings, los esfuerzos de comercialización de Johnson Matthey y el descubrimiento más reciente del funcionamiento a escala atómica del catalizador de oro con soporte de carbono, dice Kiely, dar motivos para la esperanza de que se puedan alcanzar los objetivos del Convenio de Minamata.

También representan un logro casi sin precedentes en el campo de la catálisis.

"Los científicos siempre están ajustando y optimizando las formulaciones de catalizadores, "dice Kiely." Pero, esta es la primera vez en 50 años que puedo recordar dónde hemos reemplazado un catalizador estándar de la industria usado en una reacción importante con un sistema catalítico completamente diferente ".