Investigadores en el noroeste del Pacífico han desarrollado un nuevo material catalizador que podría reemplazar los productos químicos actualmente derivados del petróleo y ser la base para productos más respetuosos con el medio ambiente, incluidos los aditivos de combustible y gas que aumentan el octanaje. caucho de base biológica para neumáticos y un disolvente más seguro para la industria química.

Para hacer biocombustibles sostenibles, los productores quieren fermentar etanol a partir de materias vegetales no alimentarias, como tallos de maíz y malas hierbas. En la actualidad, Los principales valores del llamado bioetanol son como un sustituto no contaminante de los aditivos de combustible que aumentan el octanaje para evitar que el motor golpee y como un sustituto renovable de un cierto porcentaje de la gasolina. Convertir el bioetanol en otros productos útiles, Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía y de la Universidad Estatal de Washington han desarrollado un nuevo material catalizador que lo convertirá en una sustancia química llamada isobuteno. Y puede hacerlo en un solo paso de producción, lo que puede reducir los costos.

Informado por investigadores del Instituto de Catálisis Integrada de PNNL y de la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería Gene and Linda Voiland en WSU, Los hallazgos aparecieron el 21 de julio en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"El isobuteno es un producto químico versátil que podría ampliar las aplicaciones del bioetanol producido de forma sostenible, "dijo el ingeniero químico Yong Wang, que tiene una cita conjunta en PNNL en Richland, Wash. Y en WSU en Pullman, Lavar., y lidera los esfuerzos de investigación en ambas instituciones.

Además, este catalizador requiere la presencia de agua, permitir que los productores utilicen bioetanol diluido y más barato en lugar de tener que purificarlo primero, potencialmente manteniendo los costos más bajos y los tiempos de producción más rápidos.

Sin Z-Z-Z para los cansados

Una clave importante para desbloquear las energías renovables y reemplazar los productos de combustibles fósiles es el catalizador. Un catalizador es una sustancia que promueve reacciones químicas de interés. El convertidor catalítico en un automóvil, por ejemplo, acelera las reacciones químicas que descomponen los gases contaminantes, limpiar el escape de un vehículo.

Los investigadores de PNNL y WSU intentaban producir hidrógeno como combustible a partir de etanol. Para mejorar un catalizador convencional, habían tomado óxido de zinc y óxido de circonio y los habían combinado en un nuevo material llamado óxido mixto:los átomos de zinc y circonio tejidos a través de un cristal de átomos de oxígeno. Probando el óxido mixto, El investigador postdoctoral de la PNNL, Junming Sun, no solo vio hidrógeno, pero, inesperadamente, bastante isobuteno (EYE-SO-BEW-TEEN).

El hidrógeno es genial, pero el isobuteno es mejor. Los químicos pueden fabricar caucho para llantas o un solvente más seguro que puede reemplazar a los tóxicos para usos industriales o de limpieza. El isobuteno también se puede convertir fácilmente en combustible para aviones y aditivos de gasolina que aumentan el octanaje, ese valor que figura en las bombas de gasolina que evita que un motor golpee, como ETBE.

El sol brilla

Nadie había visto antes a un catalizador crear isobuteno a partir del etanol en una reacción química de un solo paso, por lo que los investigadores se dieron cuenta de que tal catalizador podría ser importante para reducir el costo de los biocombustibles y las sustancias químicas renovables.

Investigando el catalizador con mayor profundidad, los investigadores examinaron lo que sucedió cuando usaron diferentes cantidades de zinc y circonio. Demostraron que un catalizador hecho solo de óxido de zinc convertía el etanol principalmente en acetona, un ingrediente en el quitaesmalte de uñas. Si el catalizador solo contiene óxido de circonio, convirtió el etanol principalmente en etileno, una sustancia química producida por las plantas que madura la fruta.

¿Pero el isobuteno? Eso solo surgió en cantidades útiles cuando el catalizador contenía zinc y circonio. Y "cantidades útiles" significa "mucho". Con una proporción de 1:10 de zinc a circonio, el catalizador de óxido mixto podría convertir más del 83 por ciento del etanol en isobuteno.

"Conseguimos un rendimiento constante del 83 por ciento con una vida útil mejorada del catalizador, ", dijo Wang." Nos alegró ver ese rendimiento tan alto ".

Perspicacia reaccionaria

Los investigadores analizaron la química para averiguar qué estaba sucediendo. En los experimentos de óxidos de un solo metal, el óxido de zinc creó acetona mientras que el óxido de circonio creó etileno. La forma más fácil de llegar al isobuteno desde allí, teóricamente hablando, es convertir acetona en isobuteno, que normalmente es capaz de hacer el óxido de circonio. Y el camino del etanol al isobuteno solo podría ser tan productivo como descubrió Sun si el óxido de circonio no se desviara convirtiendo el etanol en etileno en el camino.

Algo sobre el óxido mixto, luego, impidió que el óxido de circonio convirtiera el etanol en el etileno no deseado. El equipo razonó que el isobuteno probablemente surgió del óxido de zinc que convierte el etanol en acetona, luego el óxido de circonio, influenciado por el óxido de zinc cercano, convierte la acetona en isobuteno. Al mismo tiempo, La influencia del óxido de zinc impidió la conversión de etanol en etileno por el óxido de circonio. Aunque son dos pasos de reacción para el catalizador, es solo uno para los químicos, ya que solo tenían que poner el catalizador con etanol y agua una vez.

Para tener una idea de qué tan cerca tenían que suceder las reacciones entre sí para que apareciera el isobuteno, el equipo combinó óxido de zinc en polvo y óxido de circonio en polvo. Este difería del óxido mixto en que los átomos de zinc y circonio no se incorporaron en las mismas partículas de catalizador. Estos polvos mezclados convirtieron el etanol principalmente en acetona y etileno, con algunas cantidades de otras moléculas y menos del 3 por ciento de isobuteno, lo que indica que la magia del catalizador proviene de la microestructura del material de óxido mixto.

Acto de equilibrio

Entonces, los investigadores exploraron la microestructura utilizando instrumentos y experiencia en EMSL, Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE en el campus de la PNNL. Usando herramientas de alta potencia llamadas microscopios electrónicos de transmisión, el equipo vio que el catalizador de óxido mixto estaba formado por partículas cristalinas de tamaño nanométrico.

Una mirada más cercana a los catalizadores de mejor desempeño reveló que el óxido de zinc se distribuyó uniformemente sobre las regiones de óxido de circonio. El catalizador de peor desempeño, con una relación de zinc a circonio de 1:1, reveló regiones de óxido de zinc y regiones de óxido de circonio. Esto sugirió al equipo que los dos metales tenían que estar cerca uno del otro para convertir rápidamente la acetona en isobuteno.

Los resultados experimentales de otros métodos analíticos indicaron que el equipo podría optimizar el tipo de reacciones químicas que conducen al isobuteno y también evitar que el catalizador se desactive al mismo tiempo. El elegante equilibrio de los sitios ácidos y básicos en los óxidos mixtos redujo significativamente la acumulación de carbono y la descomposición de los catalizadores. lo que reduce su vida útil.

El trabajo futuro buscará optimizaciones para mejorar aún más el rendimiento y la vida útil del catalizador. Wang and colleagues would also like to see if they can combine this isobutene catalyst with other catalysts to produce different chemicals in one-pot reactions.