Muitos produtos comuns, incluindo plásticos e detergentes, dependem de reações químicas com catalisadores feitos de metais preciosos como a platina. Embora eficazes, esses metais são caros e têm fornecimento limitado. Durante anos, os cientistas procuraram alternativas mais baratas e sustentáveis. Uma opção promissora é o carboneto de tungstênio, um material abundante em terra já amplamente utilizado em máquinas industriais, ferramentas de corte e cinzéis.
Apesar do seu potencial, o carboneto de tungstênio não é fácil de usar como catalisador. Seu comportamento químico é imprevisível, o que limita suas aplicações mais amplas. Pesquisadores liderados por Marc Porosoff, professor associado do Departamento de Química e Engenharia Sustentável da Universidade de Rochester, fizeram agora progressos importantes ao permitir que o carboneto de tungstênio competisse com a platina em uma reação química fundamental.
Por que a estrutura atômica é importante
Um dos principais desafios é como os átomos de carboneto de tungstênio estão organizados, disse Sinhara Perera, estudante de doutorado em engenharia química no laboratório de Porosov.
Pereira disse que os átomos do carboneto de tungstênio podem formar muitas estruturas diferentes, chamadas fases. Estas fases podem influenciar fortemente o desempenho do material como catalisador.
“A estrutura superficial do carboneto de tungstênio não é bem compreendida porque é difícil medir as superfícies catalíticas internas onde ocorrem essas reações químicas”, disse ela.
Para resolver este problema, a equipe de pesquisa desenvolveu um método para controlar com precisão a estrutura do carboneto de tungstênio durante o processo de reação ativa. Num 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 um reator químico em temperaturas acima de 700 graus Celsius.
Os pesquisadores usaram uma técnica chamada carburação com temperatura programada para criar um catalisador de carboneto de tungstênio em uma fase específica diretamente dentro do reator. Eles então analisam a química e quais versões oferecem o melhor desempenho.
“Algumas fases são mais estáveis termodinamicamente, então é aí que o catalisador quer essencialmente ir”, disse Porosov. “Mas outras fases que são menos estáveis termodinamicamente são mais eficazes como catalisadores.”
A equipe identificou uma fase em particular, beta-W2C, que apresenta desempenho excepcional em reações que convertem dióxido de carbono em blocos de construção essenciais para combustíveis e produtos químicos úteis. Com uma maior otimização na indústria, os pesquisadores acreditam que esta forma de carboneto de tungstênio poderia rivalizar com a eficácia da platina sem preços elevados ou restrições de fornecimento.
Convertendo resíduos plásticos em novos materiais
Além da conversão de CO2, Porosov e seus colaboradores também exploraram o carboneto de tungstênio como catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos. O seu trabalho centra-se na reciclagem, o processo de conversão de resíduos de plástico em produtos de maior valor, em vez de materiais de qualidade inferior.
Publicado em ” Jornal da Sociedade Química AmericanaLiderados por Linxao Chen, da Universidade do Norte do Texas, com o apoio de Porosoff e Siddharth Deshpande, professor assistente da Universidade de Rochester, os pesquisadores mostraram como o carboneto de tungstênio conduz um processo químico chamado 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 convencionais. 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.
“Quando feito com a fase certa, o carboneto de tungstênio possui propriedades metálicas e ácidas que facilitam a quebra das cadeias de carbono nesses polímeros”, disse Porosov. “Essas cadeias poliméricas volumosas podem interagir com o carboneto de tungstênio mais facilmente porque não possuem os microporos que causariam limitações em catalisadores típicos à base de platina.”
Os resultados são impressionantes. O carboneto de tungstênio não só é muito mais barato que os catalisadores de platina, como também é 10 vezes mais eficaz no hidrocraqueamento de resíduos plásticos. Os investigadores dizem que esta abordagem pode abrir novos caminhos para a reciclagem de plásticos e para o avanço de uma economia circular na qual os materiais são continuamente reutilizados.
Meça o calor importante
Um fator chave por trás desses avanços 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 gerenciamento da temperatura é fundamental 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 alterações 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 utilizou tecnologia de medição óptica desenvolvida no laboratório de Andrea Pickel, professora visitante do Departamento de Engenharia Mecânica. Num estudo publicado em Catálise EESeles descrevem um novo método para medir diretamente a temperatura em reatores químicos.
“O que sabemos deste estudo é que as temperaturas medidas usando essas leituras de lote podem variar de 10 a 100 graus Celsius, dependendo do tipo químico”, disse Porosov. “Esta é uma diferença muito significativa nos estudos de catálise, 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 combinação destas reações poderia reduzir o desperdício de energia e melhorar a eficiência geral.
Porosov disse que o método pode impactar a forma como pesquisas mais amplas sobre catálise são conduzidas, incentivando medições mais precisas, maior reprodutibilidade e resultados mais confiáveis em todo o campo.
Financiamento e apoio
A pesquisa de catálise ACS é apoiada pela Fundação Sloan e pelo Departamento de Energia. O estudo do Journal of the American Chemical Society foi financiado pela National Science Foundation. A pesquisa de catálise EES é financiada pela Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York por meio do Programa de Desenvolvimento de Tecnologia de Carbono.
