Os pesquisadores desenvolvem novas tecnologias para estudar catalisadores

Desde detergentes de lavanderia e fornos auto-limpantes até a fabricação de combustíveis, plásticos e medicamentos, os catalisadores desempenham um papel important nos produtos e indústria cotidiana.

Essas substâncias, que fazem reações químicas Mais rápido e mais eficiente sem mudar ou ser consumido, permita muitos processos químicos modernos.

Apesar de sua importância, os pesquisadores carecem de métodos eficazes para estudar catalisadores que capturam seu comportamento. Por exemplo, pesquisadores e indústria geralmente não entendem como e por que os catalisadores usados na fabricação de produtos químicos perdem sua eficácia ao longo do tempo. Quando os catalisadores falham, os fabricantes incorrem perdas e experimentam atrasos na produção enquanto os substituem ou restauram.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho (INL), com o apoio do Escritório de Eficiência Energética do Departamento de Energia e Energia Renovável, desenvolveram uma nova maneira de estudar catalisadores para entender melhor como eles funcionam.

Ao combinar duas técnicas, a análise temporal dos produtos (TAP) e a espectroscopia de operando, os pesquisadores criaram o SpecTrotap para ajudar a indústria a desenvolver catalisadores mais eficientes e duram mais.

O estudo, intitulado “Espectroscopia de operando de resposta a pulsos para resolver a dinâmica transitória“foi publicado em Catálise da ACS.

“A maioria das técnicas para analisar os catalisadores apenas analisa as propriedades estáticas do catalisador ou produtos de reação “, disse Jason Malizia, um engenheiro químico da INL.” Entender como os catalisadores se comportam durante uma reação é essential para melhorar seu desempenho e eficiência “.

Na torneira, pequenos pulsos de gás são introduzidos no catalisador, fazendo com que o gás reaja e mude para diferentes produtos. O sistema TAP detecta e mede a rapidez com que os novos produtos se formam. Essa técnica ajuda os pesquisadores a entender as etapas da reação e o que influencia sua eficiência.

A técnica de espectroscopia de operando fornece informações em tempo actual sobre a estrutura do catalisador e como ela muda durante uma reação química. Ajuda os pesquisadores a entender o comportamento do catalisador, detectando as cores da luz refletidas ou absorvidas pelos componentes do catalisador. Cada componente tem uma interação distinta com a luz à medida que o catalisador muda, criando uma impressão digital visible que um espectrômetro pode detectar.

Pense nas duas técnicas, como tentar descobrir como um chef assina biscoitos. Faucet detecta a rapidez com que os ingredientes (farinha, ovos, manteiga, açúcar) se transformam em biscoitos, enquanto a espectroscopia de operando mostra o que o chef (ou catalisador) está fazendo durante todo o processo.

O Spectrotap combina essas duas técnicas para oferecer uma análise mais clara e confiável de reações catalíticas, abrindo caminho para catalisadores de próxima geração e processos industriais mais econômicos.

Spectrotap é o resultado de um esforço colaborativo entre os pesquisadores da INL.

Rebecca Fushimi, uma ilustre cientista de pesquisa e o principal especialista do mundo na torneira, identificou a oportunidade de combinar o TAP com a espectroscopia e desenvolveu o projeto. James Pittman, técnico de laboratório com 30 anos de experiência em tecnologia da TAP, contribuiu para o design e a fabricação do protótipo reator. Malizia, especialista em espectroscopia, desenvolveu métodos para capturar a luz refletida no catalisador, juntamente com a coleta e análise de dados.

Malizia foi a primeira a mostrar que o reator Spectrotap pode coletar dados em tempo actual sobre como os catalisadores se comportam e mudam durante as reações, dando aos cientistas informações valiosas sobre a melhoria de seu desempenho.

Os pesquisadores testaram o Spectrotap com um catalisador industrial fornecido pela Clariant Company, um parceiro industrial. Eles analisaram o catalisador de Clariant, usado para converter propano em propileno, um ingrediente -chave em plásticos e muitos materiais essenciais de consumo.

“A visão last do Spectrotap é fornecer uma compreensão mais profunda do comportamento do catalisador”, disse Malizia. “Esse entendimento levará ao desenvolvimento de catalisadores de próxima geração que são mais eficientes, produtivos e econômicos”.

Impacto e planos

O desenvolvimento de Spectrotap representa um grande avanço na pesquisa de catalisador. O espectrotap pode levar ao design de catalisadores mais seletivos, maior rendimento e mais duradouro. Essa inovação pode levar a processos industriais mais eficientes com resíduos reduzidos e menor consumo de energia, o que significa custos mais baixos para os consumidores.

“Estamos integrando o Spectrotap com outras técnicas espectroscópicas, como Raman, infravermelho e fotoluminescência, para melhorar suas capacidades e escopo”, disse Malizia.

“O uso dessas outras técnicas permitirá estudos mais abrangentes, oferecendo maiores insights sobre o comportamento do catalisador e o design de catalisadores de próxima geração”.

A espectroscopia Raman brilha um laser em uma amostra para observar como a luz interage com as moléculas na amostra. Esta técnica fornece informações sobre a composição molecular da amostra e as ligações químicas.