La capacidad recientemente desarrollada para aprovechar depósitos de gas de esquisto previamente inaccesibles durante la última década ha creado una fuente abundante de gases, incluido el metano, etano y propano, que se utilizan para crear productos de base química como los plásticos. Pero la industria química de EE. UU. Necesita científicos, incluidos los del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), para ayudar a convertir ese nuevo suministro de materia prima en una ventaja tecnológica competitiva.

En una variedad de programas de investigación, Los expertos en Argonne están encontrando formas de fabricar productos derivados de depósitos de gas de esquisto de manera más económica y eficiente y están identificando nuevas rutas para fabricar catalizadores de mayor rendimiento.

"Con el fin de maximizar los beneficios y aprovechar la fuente económica actual de gas natural y líquidos de gas natural para crear inversiones y empleos en los Estados Unidos, Es importante desarrollar procesos nuevos y más eficientes relacionados con la conversión catalítica de gas natural en materiales de mayor valor. ", afirmó un informe de 2016 de la Academia Nacional de Ciencias.

El gas de esquisto es un gas natural que se encuentra en las formaciones rocosas de esquisto creadas hace cientos de millones de años. La parte húmeda del gas de esquisto contiene una variedad de alcanos, una familia de hidrocarburos comercialmente importantes que incluye etano y propano. La industria química está interesada en alcanos que se pueden convertir en alquenos, una clase de hidrocarburos útil en la fabricación de una variedad de materiales. principalmente polímeros como polietileno y polipropileno. El programa de ciencia de catálisis de Argonne ya ha desarrollado un método exitoso para convertir de manera efectiva los alcanos en alquenos. Ahora, los investigadores también investigan cómo pueden producir otros compuestos de interés para la industria química.

"El objetivo es comprender cómo manipular los catalizadores de un solo sitio en las superficies y cómo podemos lograr una alta selectividad para la transformación de alcanos ligeros en productos de valor agregado como las olefinas, que han encontrado un uso generalizado en la industria manufacturera, "dijo Max Delferro, un químico de Argonne que dirige el grupo de catálisis del laboratorio.

Los científicos de Argonne centran gran parte de su trabajo en catalizadores de un solo sitio debido a la promesa que muestran tanto para la alta actividad como para la selectividad del producto. Dicho trabajo ha dado lugar a dos solicitudes de patente de EE. UU. Para el desarrollo de catalizadores multimetálicos que deshidrogenan selectivamente el n-butano en 1, 3-butadieno (BDE). BDE es un bloque de construcción principal de caucho sintético, que los fabricantes de polímeros han utilizado para fabricar neumáticos de automóvil.

Las tecnologías de proceso actuales para convertir alcanos en alquenos implican coquización, un proceso de deposición de carbono que interfiere con la actividad catalítica. "El problema con la coquización es que no está convirtiendo su materia prima en el producto que desea. Lo está convirtiendo en un subproducto, "dijo Ted Krause, ingeniero químico y jefe de departamento en la división de ingeniería y ciencias químicas de Argonne. La tecnología de catalizador de sitio único de Argonne deshidrogena los alcanos sin promover la coquización.

El trabajo se dirige a una variedad de catalizadores y reacciones entre los que las empresas privadas podrían seleccionar para su optimización y comercialización. "Uno de los principales objetivos es transferir el conocimiento del lado de las ciencias energéticas básicas a los mercados, "dijo Delferro.

Krause lidera un segundo proyecto, financiado a través de la Oficina de Tecnologías de Bioenergía de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del DOE. En este proyecto, los investigadores utilizan la espectroscopia de rayos X en la fuente de fotones avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para comprender cómo reaccionan los catalizadores y cómo se desactivan.

Los científicos de catálisis de Argonne están trabajando con varias empresas de la industria de biocombustibles y bioquímica a través de acuerdos de cooperación para impulsar el desarrollo de materiales catalíticos. En experimentos de APS, Los investigadores de Argonne sondean las reacciones catalíticas con un haz de rayos X para monitorear los cambios que experimentan los catalizadores durante las condiciones de trabajo reales.

La ciencia de la catálisis ha sido un pilar de APS desde que el APS comenzó a operar en 1996. Las capacidades de experimentación in situ y operando son una fortaleza importante del APS, permitir mediciones en condiciones del mundo real, dijo Greg Halder, ejecutivo de desarrollo de negocios en la división de Alianzas y Comercialización de Tecnología de Argonne.

"Estos enfoques abarcan un conjunto de líneas de luz que permiten a la industria observar las reacciones que ocurren en tiempo real y medir el rendimiento catalítico al monitorear con precisión una variedad de propiedades químicas y físicas". Halder dijo:"Esta información se puede combinar con datos experimentales y computacionales y experiencia para desarrollar la próxima generación de catalizadores".

Los investigadores de Argonne se especializan en comprender por qué los catalizadores se desactivan, por qué mueren, y en desarrollar técnicas para mitigar ese proceso.

"La vida útil del catalizador es un factor de coste crítico, ", Dijo Krause." Si es corto, necesitas un proceso de regeneración, porque el costo de cambiarlo con catalizador nuevo podría ser prohibitivo. Incluso para catalizadores a largo plazo, a medida que comienzan a desactivarse con el tiempo, tiende a perder selectividad hacia el producto deseado, por lo que tiende a hacer menos del producto deseado ".

Chris Marshall, un químico investigador senior en el grupo de catálisis, lidera un proyecto financiado por la Oficina de Manufactura Avanzada del DOE EERE para desarrollar capacidades para extender la vida útil del catalizador. "Hemos desarrollado técnicas para estabilizar catalizadores, particularmente en condiciones de reacción duras, "Dijo Krause.

Además de su experiencia, Argonne está equipado con una infraestructura que acelera el descubrimiento de materiales y condiciones de proceso. La herramienta catalizadora del laboratorio para la síntesis de deposición de capas atómicas ofrece un control preciso sobre el proceso a nivel atómico, y la plataforma de síntesis robótica de alto rendimiento de Argonne analiza varios catalizadores simultáneamente para una amplia variedad de reacciones y condiciones de reacción.