El metanol, producido a partir del dióxido de carbono del aire, se puede utilizar para fabricar combustibles neutros en carbono. Pero para hacer esto, se debe comprender mejor el mecanismo por el cual el metanol se convierte en hidrocarburos líquidos para que se pueda optimizar el proceso catalítico. Ahora, utilizando técnicas analíticas sofisticadas, los investigadores de ETH Zürich y el Instituto Paul Scherrer han obtenido una visión sin precedentes de este complejo mecanismo.

Mientras luchamos por hacer malabarismos con el impacto de las emisiones con nuestro deseo de mantener nuestro estilo de vida hambriento de energía, usar el dióxido de carbono en la atmósfera para crear nuevos combustibles es una alternativa emocionante y neutral en carbono. Una forma de hacerlo es crear metanol a partir del dióxido de carbono del aire, mediante un proceso llamado hidrogenación. Este metanol puede luego convertirse en hidrocarburos. Aunque luego se queman, liberando dióxido de carbono, esto se equilibra con el dióxido de carbono capturado para hacer el combustible.

Para desarrollar completamente este combustible sostenible, es necesario comprender mejor el mecanismo por el cual el metanol, en una reacción catalizada por zeolitas, materiales sólidos con arquitecturas porosas únicas, se convierte en hidrocarburos de cadena larga. Con esto en mente, en el marco de NCCR Catalysis, un Centro Nacional Suizo de Competencia en Investigación, investigadores de ETH Zürich unieron fuerzas con investigadores del Paul Scherrer Institut PSI para revelar los detalles de este mecanismo de reacción, cuyos hallazgos se publican. en la revista Nature Catalysis .

“La información es clave para desarrollar catalizadores más selectivos y estables”, explica Javier Pérez-Ramírez, profesor de Ingeniería de Catálisis en ETH Zürich y director de NCCR Catalysis, quien codirigió el estudio. "Antes de nuestro estudio, a pesar de muchos esfuerzos, los aspectos mecánicos clave de la compleja transformación del metanol en hidrocarburos no se entendían bien".

Los investigadores estaban interesados ​​en comparar el proceso de conversión de metanol en hidrocarburos con otro proceso:el de convertir el cloruro de metilo en hidrocarburos. Las refinerías de petróleo con frecuencia queman grandes cantidades de gas natural rico en metano no deseado. Esta actividad contaminante y derrochadora da como resultado las típicas antorchas asociadas con las refinerías de petróleo. “Convertir el cloruro de metilo en hidrocarburos es una especie de tecnología puente”, explica Pérez-Ramírez. "Por supuesto, nos gustaría alejarnos de los combustibles fósiles, pero mientras tanto, esta sería una forma de evitar desperdiciar las vastas reservas de metano valioso".

Moléculas fugaces en fase gaseosa cuentan la historia

La clave para comprender mecanismos de reacción complejos como estos es detectar las diferentes especies involucradas, incluidos los productos intermedios. Las técnicas tradicionales observan directamente la superficie del catalizador para comprender la reacción, pero una parte importante de la historia la cuentan las moléculas en fase gaseosa, que se desprenden del catalizador.

"Estas moléculas a menudo son altamente reactivas y tienen una vida muy corta, descomponiéndose en unos pocos milisegundos. Esto hace que identificarlas sea un verdadero desafío, ya que los métodos analíticos tradicionales en fase gaseosa son simplemente demasiado lentos", explica Patrick Hemberger, científico del ultravioleta de vacío (VUV). ) de la fuente de luz suiza SLS, cuyas sofisticadas técnicas analíticas permitirían a los investigadores estudiar la reacción tal como ocurrió.

En la línea de luz VUV, la espectroscopia Photoion Photoelectron Coincidence (PEPICO) se ha establecido recientemente como una poderosa herramienta analítica en reacciones catalíticas. Combina dos técnicas analíticas diferentes, la espectroscopia de fotoelectrones y la espectrometría de masas, para brindar información detallada sobre los intermedios de reacción en fase gaseosa, incluso permitiendo la diferenciación entre isómeros.

"Debido a que recopilamos simultáneamente dos tipos diferentes de información, podemos identificar rápidamente estas especies fugaces incluso en una mezcla que contiene hasta cien productos e intermedios de reacción. Esto nos brinda una perspectiva sin precedentes que simplemente no es posible con los métodos convencionales", dijo Hemberger. dice.

Vías de reacción reveladas

La espectroscopia permitió a los investigadores revelar cómo se forman los enlaces carbono-carbono y cómo crece la cadena de hidrocarburos al detectar numerosos productos intermedios. Para los dos procesos, metanol a hidrocarburo y cloruro de metilo a hidrocarburo, los investigadores observaron que ocurrían diferentes intermedios de reacción. A partir de esto, pudieron identificar dos vías de reacción distintas, una impulsada por radicales metilo, presentes en ambas reacciones, y otra impulsada por especies oxigenadas, las denominadas cetenas, que ocurrieron solo en la reacción de metanol a hidrocarburo.

Los investigadores también pudieron comprender una característica interesante de las reacciones:después de varios días, el catalizador se desactivó y la reacción se detuvo. Esto se debió a la acumulación de un subproducto no deseado:el coque, que se produce a partir de grandes hidrocarburos aromáticos depositados durante la reacción.

Con la ayuda de otra técnica espectroscópica, la espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones, los investigadores vieron que la producción de cloruro de metilo para hidrocarburos era mucho más propensa a la formación de coque que la producción a partir de metanol. Armado con el conocimiento de las rutas de reacción, la razón de esta diferencia fue clara:"La ruta del metanol al hidrocarburo procede a lo largo de dos rutas de reacción, mientras que la ruta del cloruro de metilo al hidrocarburo solo puede tomar la ruta del radical metilo más reactiva, que es más propensa a formando coque", explica Gunnar Jeschke, cuyo equipo en ETH Zürich realizó los estudios de espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones.

Comprender el mecanismo para optimizar el proceso

La información obtenida con este estudio es esencial para el futuro desarrollo de combustibles líquidos de manera sostenible. Esto podría incluir encontrar formas de mejorar la vía impulsada por oxígeno, suprimiendo así la formación de coque.

"Ahora tenemos una comprensión más profunda del mecanismo de reacción del metanol a los hidrocarburos o del cloruro de metilo a los hidrocarburos y con este conocimiento podemos optimizar el proceso industrial de manera específica para hacerlo más eficiente", agrega Hemberger. + Explora más

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