El polipropileno es un tipo común de plástico que se encuentra en muchos productos esenciales que se utilizan hoy en día, como envases de alimentos y dispositivos médicos. Debido a que el polipropileno es tan popular, la demanda de los productos químicos utilizados para fabricarlo está aumentando. Esa sustancia química, el propileno, se puede producir a partir del propano. El propano es un gas natural que se utiliza habitualmente en las parrillas para barbacoa.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne y del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han informado sobre una forma más rápida y energéticamente más eficiente de producir propileno que los procesos utilizados actualmente.
La conversión de propano en propileno normalmente implica un catalizador metálico como cromo o platino sobre un material de soporte como óxido de aluminio o dióxido de silicio. Los catalizadores aceleran las reacciones. Sin embargo, requiere altas temperaturas de funcionamiento y consumo de energía.
En un proyecto colaborativo, los científicos de Argonne y Ames descubrieron que el circonio combinado con nitruro de silicio mejoraba la conversión catalítica del gas propano en propileno. Lo hace de una manera que reacciona más rápido, es menos tóxica y utiliza menos energía que otros metales preciosos como el cromo. También es menos costoso que los catalizadores de metales preciosos como el platino.
Este descubrimiento también revela una forma de reducir la temperatura del proceso catalítico. A su vez, reduce la cantidad de dióxido de carbono. El dióxido de carbono representa aproximadamente el 80% de las emisiones de gases de efecto invernadero de Estados Unidos.
Además, este estudio ofrece una idea de la reactividad que se puede lograr con otros metales de bajo valor en la conversión catalítica de propano en propileno.
Desde hace algún tiempo, los químicos de Argonne, David Kafan y Max Delfero, estudian sistemáticamente cómo las superficies no convencionales afectan y promueven la catálisis.
Como investigadores principales de este estudio, querían comprender cómo funciona un catalizador metálico no convencional sobre un tipo de soporte no convencional en comparación con los materiales utilizados tradicionalmente durante la conversión catalítica de propano.
Los materiales de soporte del catalizador generalmente tienen una superficie elevada y ayudan a distribuir el catalizador. Pueden desempeñar un papel importante en la promoción de la catálisis, como se muestra en este estudio.
El equipo de investigación descubrió que un catalizador de circonio sobre un soporte de nitruro de silicio producía un catalizador significativamente más activo para la conversión de propano en propileno. Por el contrario, este no fue el caso para el soporte de sílice.
También descubrieron que los soportes de nitruro de silicio permiten una catálisis más rápida y energéticamente más eficiente que los metales tradicionales sobre sílice. Como soporte del catalizador, el nitruro de silicio puede mejorar las reacciones químicas en superficies metálicas en comparación con los óxidos utilizados tradicionalmente.
Los científicos han logrado la conversión catalítica de propano a una temperatura de 842 grados Fahrenheit. En general, esto es ligeramente inferior a los 1022 grados F necesarios para los catalizadores que utilizan materiales convencionales.
Además, cuando se operaron a la misma temperatura que los catalizadores convencionales para esta transformación, las velocidades de reacción fueron significativamente más rápidas que las de materiales similares con soportes de óxido.
Este hallazgo proporciona evidencia de que este concepto puede generalizarse a otras respuestas importantes.
“Esto proporciona una ventana a las reacciones de los metales soportados por nitruro. Vemos prometedor el uso de otros metales de transición donde podemos aprovechar esta diferencia en el entorno local de la superficie del nitruro para mejorar la catálisis”, dijo Kafan.
Esta investigación se benefició de la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. En la línea de luz 10-BM, los investigadores utilizaron espectroscopia de absorción de rayos X para comprender en qué se diferencia la interacción del catalizador de circonio con el material de nitruro de la interacción con el material de óxido.
Los investigadores de Argonne también colaboraron con el científico del Laboratorio Nacional Ames, Frederic Perras, para comprender mejor la estructura del catalizador de nitruro de circonio/silicio. Utilizó una técnica de resonancia magnética nuclear mejorada con polarización atómica dinámica para analizar cómo reacciona el nitruro de silicio con los sitios metálicos.
“La composición de la superficie del nitruro de silicio es en gran medida desconocida, que es lo que encontré más interesante de este trabajo”, dijo Perras, quien también es profesor asociado en la Universidad Estatal de Iowa.
Según Delferro, es la combinación de técnicas de caracterización de materiales disponibles en Argonne y Ames y la experiencia de quienes trabajaron en este artículo lo que contribuyó al éxito de este experimento.
“Una sola persona no puede hacerlo todo. Es realmente un esfuerzo de equipo, y todos aportan sus habilidades para lograr este objetivo”, dijo.
Se publicó un artículo de investigación sobre el estudio. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. Además de Delferro, Kaphan y Perras, los autores incluyen a Joshua DeMuth, Yu Lim Kim, Jacklyn Hall, Zoha Syed, Kaixi Deng, Magali Ferrandon, A. Jeremy Kropf y Liu Cong.
El apoyo a la investigación provino de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, Programa de Ciencias de Catálisis del DOE.