Muitos produtos comuns, incluindo plásticos e detergentes, dependem de reações químicas que dependem de catalisadores feitos de metais preciosos, como a platina. Esses metais são eficazes, mas caros e de fornecimento limitado. Durante anos, os cientistas procuraram alternativas mais baratas e sustentáveis. Uma alternativa promissora é o carboneto de tungstênio, um material abundante na terra e já amplamente utilizado em máquinas industriais, ferramentas de corte e cinzéis.
Apesar do seu potencial, o carboneto de tungstênio não era fácil de usar como catalisador. Seu comportamento químico pode ser imprevisível, o que limitou sua ampla adoção. Pesquisadores liderados por Mark Poroshoff, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Sustentável da Universidade de Rochester, fizeram agora avanços importantes que poderiam permitir que o carboneto de tungstênio competisse com a platina nas principais reações químicas.
Por que a estrutura atômica é importante
Um grande desafio reside na forma como os átomos de carboneto de tungstênio se organizam, de acordo com Sinhara Perera, estudante de doutorado em engenharia química no laboratório de Poroshoff.
Os átomos do carboneto de tungstênio podem formar diferentes configurações, conhecidas como fases, disse Perera. Estas fases podem influenciar fortemente o quão bem o material funciona como catalisador.
“Não houve uma compreensão clara da estrutura superficial do carboneto de tungstênio porque é realmente difícil medir a superfície do catalisador dentro da câmara onde ocorrem essas reações químicas”, diz ele.
Para resolver este problema, a equipe de pesquisa desenvolveu um método para controlar com precisão a formação de carboneto de tungstênio durante a reação de ativação. Em um estudo publicado pelo Dr. Catálise ACSPorosoff, Perera e a estudante de graduação em engenharia química Eva Cifetelli ’27 manipulam partículas de carboneto de tungstênio em nanoescala dentro de um reator químico que opera em temperaturas acima de 700 graus Celsius.
Usando uma técnica chamada carburação com temperatura programada, os pesquisadores criaram catalisadores de carboneto de tungstênio em estágios específicos dentro do forno. Eles então executam reações químicas e analisam quais versões oferecem o desempenho mais forte.
“Algumas fases são mais estáveis termodinamicamente, então é aí que o catalisador naturalmente quer ir”, disse 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 nos principais blocos de construção de combustíveis e produtos químicos úteis. Com otimização adicional por parte da indústria, os pesquisadores acreditam que este tipo de carboneto de tungstênio pode igualar o desempenho da platina sem o alto custo ou restrições de fornecimento.
Transformando resíduos plásticos em novos materiais
Além da conversão de dióxido de carbono, Poroshoff e seus colegas exploraram o carboneto de tungstênio como um catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos. O seu trabalho centra-se na reciclagem, um processo que transforma plásticos descartados em produtos de alto valor, em vez de materiais de baixa qualidade.
Em um estudo publicado Jornal da Sociedade Química AmericanaLiderados por Linxao Chen, da Universidade do Norte do Texas, e apoiados por Porosoff e pelo professor assistente da Universidade de Rochester, Siddharth Deshpande, os pesquisadores mostraram como o carboneto de tungstênio pode realizar 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 no fluxo 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 penetração de grandes moléculas de plástico, limitando a sua eficácia.
“O carboneto de tungstênio, quando feito com a fase certa, possui propriedades metálicas e ácidas que são boas para quebrar as cadeias de carbono desses polímeros”, disse Porosoff. “Essas grandes cadeias poliméricas podem interagir muito facilmente com o carboneto de tungstênio porque não possuem os microporos que limitam os catalisadores típicos à base de platina.”
Os resultados foram interessantes. O carboneto de tungstênio não era apenas muito mais barato que o catalisador de platina, mas também era mais de 10 vezes mais eficaz no hidrocraqueamento de resíduos plásticos. Os investigadores dizem que esta abordagem pode abrir novos caminhos para a reciclagem de plástico e levar a uma economia circular onde os materiais são continuamente reutilizados.
Medindo o calor onde é importante
Um fator chave por trás desse progresso é a capacidade de medir com precisão as temperaturas da superfície do catalisador. As reações químicas absorvem calor (endotérmica) ou liberam calor (exotérmica), e o controle da temperatura é importante para a eficiência. Muitos processos industriais dependem de múltiplas reações que ocorrem simultaneamente, 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 o comportamento catalítico difícil de compreender e reproduzir completamente.
Para resolver esta questão, a equipe de pesquisa adotou técnicas de medição óptica desenvolvidas no laboratório da professora visitante Andrea Pickel no Departamento de Engenharia Mecânica. Em um estudo publicado pelo Dr. Catálise EESEles descreveram um novo método para medir diretamente a temperatura dentro de um reator químico.
“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”, disse Porosoff. “Essa é uma diferença realmente significativa na pesquisa de catálise, onde você tenta garantir que as medições sejam reproduzíveis e que múltiplas reações possam ser acopladas.”
Usando esta técnica, a equipe testou sistemas catalíticos em tandem onde o calor liberado por uma reação impulsiona outra reação que requer entrada de calor. Uma melhor correspondência entre estas respostas pode reduzir o desperdício de energia e melhorar a eficiência global.
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 de catálise ACS foi apoiado pela Fundação Sloan e pelo Departamento de Energia. A pesquisa do Journal of the American Chemical Society recebeu financiamento da National Science Foundation. A pesquisa de catálise EES foi financiada pela Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York através da Iniciativa de Desenvolvimento CarbonTech.
