Novo catalisador torna a reciclagem de plástico 10 vezes mais eficiente que a platina

Apesar do seu potencial, o carboneto de tungstênio não tem sido fácil de usar como catalisador. O seu comportamento químico pode ser imprevisível, o que restringiu a sua adoção mais ampla. Pesquisadores liderados por Marc Porosoff, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Sustentabilidade da Universidade de Rochester, fizeram agora progressos importantes que poderiam permitir que o carboneto de tungstênio competisse com a platina nas principais reações químicas.

Por que a estrutura atômica é importante

Segundo Sinhara Perera, estudante de doutorado em engenharia química no laboratório de Porosoff, um dos principais desafios está na forma como os átomos de carboneto de tungstênio se organizam.

Os átomos do carboneto de tungstênio podem formar muitas configurações diferentes, conhecidas como fases, diz Perera. Essas fases podem influenciar fortemente o desempenho do material como catalisador.

“Não houve uma compreensão clara da estrutura da superfície do carboneto de tungstênio porque é realmente difícil medir a superfície catalítica dentro das câmaras onde ocorrem essas reações químicas”, diz ela.

Para resolver este problema, a equipe de pesquisa desenvolveu um método para controlar com precisão a estrutura do carboneto de tungstênio durante as reações ativas. Em um estudo publicado em Catálise ACSPorosoff, Perera e a estudante de graduação em engenharia química Eva Ciuffetelli ’27 manipularam partículas de carboneto de tungstênio em nanoescala dentro de reatores químicos que operam em temperaturas acima de 700 graus Celsius.

Usando uma técnica chamada carburação com temperatura programada, os pesquisadores criaram catalisadores de carboneto de tungstênio em fases específicas diretamente dentro do reator. Eles então realizaram reações químicas e analisaram quais versões apresentavam o desempenho mais forte.

“Algumas das fases são mais estáveis ​​termodinamicamente, então é aí que o catalisador quer inerentemente ir”, diz Porosoff. “Mas outras fases que são menos estáveis ​​termodinamicamente são mais eficazes como catalisadores.”

A equipe identificou uma fase em particular, β-W2C, que mostrou desempenho excepcional em reações que convertem dióxido de carbono em blocos de construção essenciais para combustíveis e produtos químicos úteis. Com otimização adicional por parte da indústria, os pesquisadores acreditam que esta forma de carboneto de tungstênio poderia igualar a eficácia da platina sem seu alto preço ou limitações de fornecimento.

Transformando resíduos plásticos em novos materiais

Além da conversão de dióxido de carbono, Porosoff e seus colaboradores também exploraram o carboneto de tungstênio como catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos. O seu trabalho centra-se na reciclagem, um processo que transforma plásticos descartados em produtos de maior valor, em vez de materiais de qualidade inferior.

Num estudo publicado no Jornal da Sociedade Química Americanaliderado por Linxao Chen da Universidade do Norte do Texas e apoiado por Porosoff e pelo professor assistente Siddharth Deshpande da Universidade de Rochester, os pesquisadores demonstraram como o carboneto de tungstênio pode conduzir um processo químico conhecido como hidrocraqueamento.

O hidrocraqueamento quebra moléculas grandes em moléculas menores que podem ser reutilizadas para fazer novos materiais. Nesse caso, a equipe mirou no polipropileno, usado em garrafas de água e em muitos outros produtos plásticos.

Embora o hidrocraqueamento seja comum no refino de petróleo e gás, sua aplicação em resíduos plásticos tem se mostrado difícil. As longas cadeias poliméricas em plásticos descartáveis ​​são extremamente estáveis ​​e os contaminantes nos fluxos de resíduos podem desativar rapidamente os catalisadores tradicionais. Os catalisadores à base de platina também dependem de estruturas microporosas que são demasiado pequenas para a entrada de grandes moléculas de plástico, limitando a sua eficácia.

“O carboneto de tungstênio, quando feito com a fase correta, possui propriedades metálicas e ácidas que são boas para quebrar as cadeias de carbono desses polímeros”, diz Porosoff. “Essas grandes cadeias poliméricas volumosas podem interagir com o carboneto de tungstênio com muito mais facilidade porque não possuem microporos que causam limitações com catalisadores típicos à base de platina.”

Os resultados foram impressionantes. O carboneto de tungstênio não só era muito mais barato que os catalisadores de platina, mas também era 10 vezes mais eficiente no hidrocraqueamento de resíduos plásticos. Os investigadores dizem que esta abordagem pode abrir novos caminhos para a reciclagem de plásticos e o avanço de uma economia circular onde os materiais são continuamente reutilizados.

Medindo o calor onde é importante

Um fator chave por trás desses avanços é a capacidade de medir com precisão a temperatura nas superfícies do catalisador. As reações químicas absorvem calor (endotérmica) ou liberam calor (exotérmica), e o gerenciamento da temperatura é fundamental para a eficiência. Muitos processos industriais dependem de múltiplas reações que ocorrem juntas, tornando o controle preciso da temperatura ainda mais importante.

Os métodos atuais de medição de temperatura fornecem apenas médias aproximadas, que podem ocultar variações críticas na superfície do catalisador. Esta falta de precisão torna difícil compreender e reproduzir completamente o comportamento catalítico.

Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa adotou técnicas de medição óptica desenvolvidas no laboratório de Andrea Pickel, professora visitante do Departamento de Engenharia Mecânica. Em um estudo publicado em Catálise EESeles descreveram um novo método para medir diretamente temperaturas dentro de reatores químicos.

“Aprendemos com este estudo que, dependendo do tipo de química, a temperatura medida com essas leituras em massa pode variar de 10 a 100 graus Celsius”, diz Porosoff. “Essa é uma diferença realmente significativa em estudos catalíticos, onde se tenta garantir que as medições sejam reproduzíveis e que múltiplas reações possam ser acopladas.”

Usando esta técnica, a equipe examinou sistemas catalíticos em tandem nos quais o calor liberado por uma reação impulsiona outra reação que requer entrada de calor. Uma melhor correspondência entre essas reações pode reduzir o desperdício de energia e melhorar a eficiência geral.

Porosoff diz que o método pode influenciar a forma como a pesquisa em catálise é conduzida de forma mais ampla, incentivando medições mais precisas, maior reprodutibilidade e resultados mais confiáveis ​​em todo o campo.

Financiamento e Apoio

O estudo ACS Catalysis foi apoiado pela Sloan Foundation e pelo Departamento de Energia. A pesquisa do Journal of the American Chemical Society recebeu financiamento da National Science Foundation. O estudo EES Catalysis foi financiado pela Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York através da Iniciativa de Desenvolvimento Carbontech.