A veces se considera que el etileno es el químico más importante en la industria petroquímica porque sirve como materia prima para una amplia gama de productos cotidianos. Se utiliza para producir anticongelante, vinilo, caucho sintético, espuma aislante y plásticos de todo tipo.
Actualmente, el etileno se produce mediante un proceso que consume mucha energía y recursos llamado craqueo con vapor, donde temperaturas y presiones extremas producen etileno a partir de petróleo crudo en presencia de vapor y, en el proceso, emiten toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera.
Sin embargo, otra forma de producir etileno es mediante un proceso llamado acoplamiento oxidativo de metano (OCM). Tiene el potencial de ser una alternativa más ecológica al craqueo con vapor, pero hasta hace poco, la cantidad de etileno que produce no hacía que el proceso fuera económicamente viable.
"Hasta ahora, el rendimiento catalítico ha estado por debajo del 30% para un solo paso, lo que significa simplemente pasar el metano y el oxígeno a través del catalizador y obtener etileno por el otro lado", dice Bar Mosevitzky Lis, investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Química. e Ingeniería Biomolecular en P.C. Facultad Rossin de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.
"Los estudios que han simulado todo el proceso industrial utilizando OCM han demostrado que la tecnología no se vuelve rentable hasta que el rendimiento de una sola pasada alcanza entre el 30 y el 35 %."
OCM está ahora un paso más cerca de abandonar el laboratorio y entrar al mundo real. Por primera vez, investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU) y la Universidad Lehigh, en colaboración con investigadores del Instituto de Conversión de Energía de Guangzhou y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China, han desarrollado un catalizador OCM que supera el 30% cuando se se trata de la producción de etileno.
El artículo que describe su avance se publicó recientemente en Nature Communications. .
La colaboración estuvo dirigida por Fanxing Li, profesor de ingeniería de Alcoa en NCSU. Su equipo desarrolló una clase de núcleo-capa Li2 CO3 -Óxidos mixtos de tierras raras recubiertos como catalizadores para el acoplamiento oxidativo de metano mediante un esquema de bucle químico. El resultado fue un rendimiento de una sola pasada de hasta el 30,6 %.
"La idea con el bucle químico es que en lugar de hacer una co-alimentación de metano y oxígeno en la cámara con el catalizador, se hace de forma secuencial", dice Mosevitzky Lis, quien también es uno de los coautores del estudio.
"Con el tiempo, se pierde oxígeno del catalizador y se vuelve ineficaz. Con el bucle químico, se comienza con metano, luego se cambia a oxígeno, luego se regresa a metano, y el oxígeno sirve para reoxidar continuamente el catalizador, reponiendo así su capacidad para proporcionar oxígeno para la reacción."
Mosevitzky Lis y su equipo en Lehigh, dirigido por Israel Wachs, Profesor G. Whitney Snyder de Ingeniería Química y Biomolecular y Director del Laboratorio de Investigación de Catálisis y Espectroscopía Molecular Operando, realizaron la caracterización del catalizador.
"Nuestra especialización es la caracterización de superficies in situ", dice Mosevitzky Lis, "lo que significa que caracterizamos la superficie de los catalizadores mientras se desarrolla la reacción. Aplicamos una amplia gama de técnicas físicas y químicas para comprender las transformaciones que sufren los catalizadores mientras se desarrolla la reacción catalítica. en su superficie y cómo estas transformaciones se relacionan con lo que los convierte en tan buenos catalizadores."
Dice que el catalizador está compuesto por un núcleo de óxido mixto cubierto por carbonato de litio, y la interacción entre el núcleo y la capa durante el bucle químico es responsable del alto rendimiento. Los resultados significan que, por primera vez, convertir el metano (que se puede encontrar en el gas natural y el biogás) en etileno podría estar al alcance de la industria.
"El OCM tiene potencial para ser más barato y más eficiente en lo que respecta a energía y emisiones", afirma. "Además, en lugar de utilizar petróleo crudo, se utiliza metano que normalmente proviene del gas natural, pero que también puede generarse en el futuro a partir de biogás y de la reducción electroquímica del dióxido de carbono. Y una vez que se tiene etileno, se puede transformar en innumerables productos que son utilizados en todo el mundo."
El siguiente paso es determinar la idoneidad del catalizador para la producción a escala industrial e intentar aumentar aún más el rendimiento. Por ahora, sin embargo, haber mejorado finalmente un método que sigue siendo una promesa incumplida desde la década de 1980 marca un hito.
"La complejidad del sistema y la dinámica que tiene lugar es casi como arte", dice Mosevitzky Lis. "Tanto el núcleo como la capa del catalizador pasan por procesos muy extremos, generando todo tipo de cosas interesantes en la superficie. Es hermoso."
Más información: Kun Zhao et al, Óxidos mixtos de tierras raras promovidos por carbonato de litio como estrategia generalizada para el acoplamiento oxidativo de metano con rendimientos excepcionales, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43682-5
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Lehigh
