Tecnologia Científica

Cientistas transformam metano em metanol em temperatura ambiente
O novo estudo da equipe na edição atual da Science é o mais recente para avançar uma forma de baixo consumo de energia para produzir metanol a partir do metano.
Por Andrew Myers - 16/07/2021


Uma ilustração das estruturas de gaiola de duas zeólitas à base de ferro usadas no estudo. As esferas vermelha e dourada (representando oxigênio e ferro, respectivamente) constituem o sítio ativo. A estrutura da gaiola, em cinza, é formada por silício, alumínio e oxigênio. A esfera azul quantifica o tamanho da maior molécula que pode se difundir livremente dentro e fora da gaiola do local ativo (o diâmetro do metano é ~ 4,2 Å). Crédito: Benjamin Snyder

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stanford e da Universidade de Leuven, na Bélgica, elucidou ainda mais um processo intrigante que pode ser um passo importante em direção a uma economia de combustível metanol com metano abundante como matéria-prima, um avanço que pode mudar fundamentalmente a forma como o mundo usa o gás natural .

O metanol - o álcool mais simples - é usado para fazer vários produtos, como tintas e plásticos, e como aditivo à gasolina. Rico em hidrogênio, o metanol pode impulsionar células de combustível da nova era que podem gerar benefícios ambientais significativos.

Se o gás natural , do qual o metano é o principal componente, pudesse ser convertido economicamente em metanol, o combustível líquido resultante seria armazenado e transportado com muito mais facilidade do que o gás natural e o hidrogênio puro. Isso também reduziria muito as emissões de metano das usinas e dutos de processamento de gás natural. Hoje, o metano escapado, um gás de efeito estufa muitas vezes mais potente do que o dióxido de carbono, quase anula as vantagens ambientais do gás natural sobre o petróleo e o carvão. O novo estudo da equipe na edição atual da Science é o mais recente para avançar uma forma de baixo consumo de energia para produzir metanol a partir do metano.

"Este processo usa cristais comuns conhecidos como zeólitas de ferro, que são conhecidos por converter gás natural em metanol em temperatura ambiente ", explica Benjamin Snyder, que obteve seu doutorado em Stanford estudando catalisadores para abordar as principais facetas desse desafio. "Porém, isso é um desafio químico extremamente difícil de ser alcançado em um nível prático, já que o metano é teimosamente inerte quimicamente."

Quando o metano é infundido em zeólitas de ferro poroso, o metanol é rapidamente produzido em temperatura ambiente, sem necessidade de calor ou energia adicional. Em comparação, o processo industrial convencional para fazer metanol a partir do metano requer temperaturas de 1000 ° C (1832 ° F) e pressão extremamente alta.

"Esse é um processo economicamente tentador, mas não é tão fácil. Barreiras significativas impedem a ampliação desse processo para níveis industriais", disse Edward Solomon, professor de química e ciência de fótons de Stanford no SLAC National Accelerator Laboratory. Solomon é o autor sênior do novo estudo.
 
Mantendo as zeólitas ligadas

Infelizmente, a maioria das zeólitas de ferro se desativa rapidamente. Incapaz de processar mais metano, o processo acaba. Os cientistas estão interessados ​​em estudar maneiras de melhorar o desempenho do zeólito de ferro . O novo estudo, coautoria de Hannah Rhoda, uma candidata ao doutorado de Stanford em química inorgânica, usa espectroscopia avançada para explorar a estrutura física dos zeólitos mais promissores para a produção de metano em metanol.

Hannah Rhoda com o equipamento de espectroscopia Raman de ressonância, que dispara
um laser em uma amostra para obter informações vibracionais do local exato em estudo.
Os pesquisadores no estudo atual usaram essa técnica para ajudar a atribuir
os locais envenenados por Fe (III) -OH e Fe (III) OCH3, que
iluminaram o mecanismo. Crédito: Hannah Rhoda

"Uma questão chave aqui é como retirar o metanol sem destruir o catalisador", disse Rhoda.

Escolhendo duas atraentes zeólitas de ferro, a equipe estudou a estrutura física das redes em torno do ferro. Eles descobriram que a reatividade varia dramaticamente de acordo com o tamanho dos poros na estrutura cristalina circundante. A equipe se refere a isso como o "efeito gaiola", já que a estrutura de encapsulamento se assemelha a uma gaiola.

Se os poros nas gaiolas forem muito grandes, o sítio ativo é desativado após apenas um ciclo de reação e nunca é reativado novamente. Quando as aberturas dos poros são menores, no entanto, elas coordenam uma dança molecular precisa entre os reagentes e os sítios ativos de ferro - que produz metanol diretamente e regenera o sítio ativo. Aproveitando o chamado 'efeito de gaiola', a equipe foi capaz de reativar 40% dos sites desativados repetidamente - um avanço conceitual significativo em direção a um processo catalítico em escala industrial.

"O ciclo catalítico - a reativação contínua de locais regenerados - poderia algum dia levar à produção contínua e econômica de metanol a partir do gás natural", disse Snyder, agora um pós-doutorado na UC-Berkeley no Departamento de Química de Jeffrey R. Long.

Este passo fundamental à frente na ciência básica ajudará a elucidar para químicos e engenheiros químicos o processo que as zeólitas de ferro usam para produzir metanol em temperatura ambiente, mas ainda há muito trabalho a ser feito antes que tal processo possa ser industrializado.

A seguir na lista de Snyder: abordar a realização do processo não apenas à temperatura ambiente, mas usando o ar ambiente em vez de alguma outra fonte de oxigênio, como o óxido nitroso usado nesses experimentos. Lidar com um poderoso agente oxidante como o oxigênio, que é notoriamente difícil de controlar em reações químicas, será outro obstáculo considerável ao longo do caminho.

Por enquanto, Snyder estava satisfeito e surpreso com os poderes ilustrativos da sofisticada instrumentação espectroscópica nos laboratórios Solomon que foram aproveitados para este estudo. Isso foi inestimável para sua compreensão da química e das estruturas químicas envolvidas no processo de metano para metanol.

“É legal como você pode obter algumas percepções de nível atômico muito poderosas, como o efeito gaiola, dessas ferramentas que não estavam disponíveis para as gerações anteriores de químicos”, disse Snyder.


 

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