La superficie fundida de un material a base de sodio podría ayudar a la conversión directa de metano en bloques de construcción útiles.

Para que el gas natural se convierta de manera eficiente en productos industriales útiles, se requiere el proceso catalítico adecuado. Investigadores de KAUST y los EE. UU. Combinan técnicas de vanguardia para la caracterización de materiales para demostrar una vía de reacción única que muestra que los catalizadores fundidos a base de sodio pueden proporcionar todas las especies químicas necesarias para optimizar el proceso.

Radicales libres, moléculas con un electrón de valencia desapareado, como el radical hidroxilo, desempeñar un papel crucial en la conversión de gas natural de importancia industrial, principalmente metano, al etileno:un compuesto orgánico vital que forma los componentes básicos de muchos productos básicos y polímeros. Para mejorar este proceso, conocido como acoplamiento oxidativo, es vital desarrollar catalizadores selectivos.

El equipo de KAUST, dirigido por Kazuhiro Takanabe y su alumno Abdulaziz Khan, utilizó herramientas in situ para medir el estado de un catalizador en condiciones de reacción. Descubrieron que la especie activa en la reacción catalítica que sale en la superficie fundida del tungstato de sodio, una sustancia química necesaria para la reacción, es peróxido de sodio. Este catalizador es único porque en lugar de activar el metano directamente, primero activa el agua y luego genera radicales hidroxilo gaseosos.

El acoplamiento oxidativo de metano convierte el metano y el oxígeno en etileno en un solo reactor. Investigaciones anteriores en el laboratorio de Takanabe habían indicado que al usar tungstato de sodio a temperaturas superiores a 700 ° C, la presencia de agua puede aumentar la tasa de conversión de metano y mejorar la selectividad del producto. Esto podría ocurrir potencialmente a través de la formación de radicales hidroxilo y peróxido de sodio, pero no hubo evidencia directa de la presencia de estas especies.

Ahora, Takanabe y sus coautores proporcionan evidencia directa de la formación de estos radicales libres en la superficie fundida del tungstato de sodio. Combinan una amplia gama de técnicas experimentales, incluida la difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión de barrido, espectrometría de fluorescencia inducida por láser y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, para observar una capa exterior de tungstato de sodio fundido que es rico en hidróxido de sodio. "Identificamos exclusivamente la fase activa del catalizador en un estado único en condiciones de reacción, "explica Takanabe.

Esto a su vez confirma que un catalizador a base de sodio puede formar radicales hidroxilo a partir de una mezcla de oxígeno y agua, una reacción que nunca se ha visto. "Este catalizador y la vía de reacción única tienen un gran potencial para su uso en varias reacciones catalíticas para la conversión de gas natural, refinería de petróleo y reacciones de combustión, "dice Takanabe.

Mas ampliamente, Este éxito también demuestra la importancia de combinar técnicas espectroscópicas y microscópicas en sitio para comprender mejor la química de la fase gaseosa a alta temperatura.