Catalisador barato recicla emissões de metano à temperatura ambiente

O gás pure é um combustível fóssil amplamente utilizado nos EUA para aquecimento, cozinha e geração de eletricidade, e também como matéria-prima química para a fabricação de plásticos e outros produtos. Mas porque consiste principalmente no gás metano com efeito de estufa, o gás pure é uma das principais fontes de emissões de metano.

Para reciclar o metano na atmosfera, investigadores de todo o mundo estão a estudar catalisadores que possam converter o metano em combustíveis utilizáveis ​​e outros produtos. Recentemente, uma colaboração de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveu um produto barato catalisador que funciona bem e – criticamente – funciona à temperatura ambiente ou próximo dela, o que é elementary para o desenvolvimento de aplicações de reciclagem de metano generalizadas e reais.

O trabalhar é capa da edição de 15 de outubro de 2024 da revista ACS Nano.

“Os pesquisadores têm procurado continuamente por um catalisador que possa alcançar a conversão do metano em temperaturas moderadas”, disse o químico de Brookhaven, Arephin Islam, principal autor do artigo. “Nosso catalisador não requer temperaturas muito acima de 500 Ok (cerca de 440°F), como muitos outros exigem. Ele também é eficiente e utiliza materiais comuns e de baixo custo, tornando-o potencialmente escalonável para aplicações comerciais.”

O catalisador consiste em nanopartículas de óxido de magnésio – cada uma com cerca de meio bilionésimo de metro de diâmetro – incorporadas em uma camada muito fina de óxido de cobre, que, por sua vez, fica sobre uma camada de cobre. Embora o óxido de magnésio a granel não seja um bom catalisador de conversão de metano por si só, os pesquisadores aprenderam que ele é ativado pela adição de certos metais ou óxidos metálicos.

Este foi um dos factores que motivou esta investigação, mas o grupo também se orientou por um referencial teórico estudar conduzido pelos químicos de Brookhaven, Ping Liu e Erwei Huang, que foi publicado em maio deste ano em O Jornal de Química Física C. Esse trabalho determinou que a integração de óxido de magnésio nanoestruturado com óxido de cobre poderia ser uma abordagem catalítica bem-sucedida para a conversão de metano em temperaturas amenas.

“Valeu a pena investigar como o óxido de magnésio na forma de nanopartículas poderia ser mais reativo ao metano, especialmente quando combinado com cobre, que é conhecido por ter a capacidade de catalisar a conversão do metano”, disse o químico de Brookhaven, Jose Rodriguez, investigador principal da pesquisa.

Estudando o sistema com luz e elétrons

O grupo estudou o desempenho de amostras de catalisadores sintetizadas com diferentes concentrações de óxido de magnésio aplicadas na superfície do óxido de cobre. Eles usaram diversas técnicas, incluindo um método de raios X conhecido como espectroscopia de fotoelétrons de raios X à pressão ambiente (AP-XPS), que rendeu informações sobre composição química e as interações químicas que ocorrem na superfície do catalisador.

Este trabalho foi realizado na Nationwide Synchrotron Gentle Supply II (NSLS-II), uma instalação do DOE Workplace of Science localizada em Brookhaven que produz feixes intensos de luz de raios X para estudar uma ampla variedade de materiais e amostras biológicas.

No NSLS-II, o grupo utilizou instrumentação de última geração na linha de luz de espectroscopia de raios X In Situ e Operando (IOS), que permite aos cientistas estudar amostras “em trabalho” em tempo actual e sob condições operacionais realistas. e sob condições operacionais realistas.

Na estação ultimate AP-XPS da linha de luz, a equipe preparou amostras de catalisador por meio de um processo chamado deposição física de vapor, que permite que camadas ultrafinas de um materials sejam depositadas em um substrato. Em seguida, eles expuseram cada amostra a gases reagentes a pressões realistas e direcionaram raios X para sua superfície. A luz de raios X fez com que elétrons fossem ejetados da superfície por meio do efeito fotoelétrico, e esses elétrons ejetados foram então analisados ​​para determinar suas energias cinéticas.

Essas energias, por sua vez, revelaram as energias de ligação dos elétrons de átomos específicos da amostra e permitiram aos pesquisadores identificar elementos químicos específicos, bem como seus estados de oxidação e ambientes químicos – informações que são fundamentais para a compreensão do comportamento de um catalisador.

AP-XPS é uma excelente técnica para usar neste tipo de estudo porque permite a análise de superfície de materiais em tempo actual durante as reações, preenchendo a lacuna entre estudos de laboratório controlados e aplicações industriais práticas.

Para ver como as reações mudaram a superfície do catalisador de óxido de magnésio/óxido de cobre de cada amostra, os pesquisadores empregaram uma poderosa técnica de imagem chamada microscopia de varredura por tunelamento (STM), que cria um mapa visible da superfície de uma amostra, varrendo-a com uma varredura extremamente ponta condutora afiada. Uma voltagem entre a superfície e a ponta faz com que os elétrons façam um “túnel” através do pequeno espaço entre a ponta e a superfície, e as correntes criadas por esses elétrons são medidas e traduzidas em uma imagem.

As medições AP-XPS e STM mostraram coletivamente que o sistema catalisador ativa metano à temperatura ambiente, quebrando suas ligações carbono-hidrogênio e convertendo-o em etano, que é usado para diversos fins comerciais, incluindo refrigerantes e produção de combustíveis. No geral, o desempenho do novo catalisador rivaliza com o de catalisadores caros baseados em platina e outros metais desse grupo, como o paládio.

Além do metano

Em outro recente evento liderado por Brookhaven estudar publicado em abril em O Jornal de Química Física Cos membros do grupo determinaram que este sistema catalisador também é bem sucedido na conversão dióxido de carbonooutro gás de efeito estufa, à temperatura ambiente.

Usando os mesmos dois métodos, AP-XPS baseado em síncrotron na linha de luz IOS e STM, eles mostraram que nanoaglomerados de óxido de magnésio em uma superfície de óxido de cobre/cobre podem dissociar dióxido de carbono em monóxido de carbono e outras espécies de carbono. Essa capacidade abre canais de reação que podem levar à formação de oxigenados e alcanos leves, dois grupos químicos envolvidos na produção de combustíveis.

“Juntas, estas descobertas são um passo significativo em direcção à conversão sustentável de dois potentes gases com efeito de estufa e às estratégias de mitigação de carbono”, disse Islam.