Engenharia de um catalisador alternativo de baixo custo para a produção de produtos petroquímicos sustentáveis

Mas o carboneto de tungsténio tem propriedades que têm limitado as suas aplicações. Marc Porosoff, professor associado do Departamento de Engenharia Química e de Sustentabilidade da Universidade de Rochester, e os seus colaboradores conseguiram recentemente vários avanços importantes para tornar o carboneto de tungsténio uma alternativa mais viável à platina em reacções químicas.

A melhor viragem de fase

Sinhara Perera, estudante de doutoramento em engenharia química no laboratório de Porosoff, afirma que parte do que torna o carboneto de tungsténio um catalisador difícil para a produção de produtos valiosos é o facto de os seus átomos poderem estar dispostos em muitas configurações diferentes - conhecidas como fases.

"Não existe uma compreensão clara da estrutura da superfície do carboneto de tungsténio porque é muito difícil medir a superfície catalítica no interior das câmaras onde ocorrem estas reacções químicas", afirma Perera.

Num estudo publicado na ACS Catalysis, Porosoff, Perera e a estudante de engenharia química Eva Ciuffetelli '27 ultrapassaram este problema manipulando cuidadosamente as partículas de carboneto de tungsténio à escala nanométrica dentro do reator químico - um recipiente onde as temperaturas podem atingir mais de 700 graus Celsius. Utilizando um processo designado por carburação programada por temperatura, criaram catalisadores de carboneto de tungsténio na fase desejada dentro do reator, executaram a reação e depois estudaram quais as versões com melhor desempenho.

"Algumas das fases são mais estáveis do ponto de vista termodinâmico, pelo que é aí que o catalisador quer ficar", diz Porosoff. "Mas outras fases que são menos estáveis termodinamicamente são mais eficazes como catalisadores."

Os investigadores identificaram uma fase específica - β-W₂C - que funciona especialmente bem para uma reação que transforma o dióxido de carbono em precursores importantes para a produção de produtos químicos e combustíveis úteis. Com mais afinações por parte da indústria, Porosoff e a sua equipa pensam que esta fase do carboneto de tungsténio pode ser tão eficaz como a platina, sem os inconvenientes do custo elevado e do fornecimento limitado.

Reciclagem de plásticos

Porosoff e os seus colegas também exploraram o carboneto de tungsténio como catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos e para a conversão de plásticos velhos em novos produtos de alta qualidade. Um estudo publicado no Journal of the American Chemical Society, liderado por Linxao Chen, da Universidade do Norte do Texas, e apoiado por Porosoff e pelo Professor Assistente da URochester, Siddharth Deshpande, mostrou como o carboneto de tungsténio pode ser utilizado num processo denominado hidrocraqueamento.

O carboneto de tungsténio não só era menos dispendioso do que os catalisadores de platina para o hidrocraqueamento, como também era mais de 10 vezes mais eficiente.

O hidrocraqueamento consiste em pegar em moléculas grandes, como o polipropileno - a base das garrafas de água e de muitas outras formas de plástico - e decompô-las quimicamente em moléculas mais pequenas que podem ser utilizadas em novos produtos. Embora o hidrocraqueamento tenha sido utilizado na refinação de petróleo e gás, a sua aplicação no processamento de resíduos plásticos tem sido um problema devido à elevada estabilidade das cadeias de polímeros que constituem a maioria dos plásticos de utilização única e à presença de contaminantes que desactivam os catalisadores. Os metais preciosos, como a platina, que são atualmente utilizados como catalisadores, desactivam-se rapidamente e são suportados por superfícies microporosas que não têm espaço para as longas cadeias de polímeros dos plásticos de utilização única.

"O carboneto de tungsténio, quando fabricado com a fase correta, tem propriedades metálicas e ácidas que são boas para quebrar as cadeias de carbono nestes polímeros", diz Porosoff. "Estas grandes cadeias de polímeros volumosos podem interagir com o carboneto de tungsténio muito mais facilmente porque não têm microporos que causam limitações com os catalisadores típicos à base de platina."

O estudo mostrou que o carboneto de tungsténio não só era menos dispendioso do que os catalisadores de platina para o hidrocracking, como era mais de 10 vezes mais eficiente. Os investigadores afirmam que isto abre novos caminhos para melhorar os catalisadores e transformar os resíduos plásticos em novos materiais, apoiando uma economia circular.

Medir a temperatura

Na base destes avanços na criação de catalisadores mais eficientes está a capacidade de medir com exatidão as temperaturas nas superfícies dos catalisadores. As reacções químicas podem absorver calor (endotérmicas) ou libertar calor (exotérmicas), e o controlo da temperatura da superfície do catalisador permite aos cientistas coordenar eficazmente várias reacções. No entanto, as medições atualmente utilizadas para medir a temperatura dos catalisadores fornecem médias aproximadas que não apresentam nuances suficientes para medir com exatidão as condições precisas necessárias para estudar eficazmente as reacções químicas.

Utilizando técnicas de medição ótica desenvolvidas no laboratório de Andrea Pickel, professora convidada do Departamento de Engenharia Mecânica, os investigadores conceberam uma nova forma de medir a temperatura nos reactores químicos. Descreveram a nova técnica num estudo publicado na revista EES Catalysis.

"Aprendemos com este estudo que, dependendo do tipo de química, a temperatura medida com estas leituras a granel pode ter um desvio de 10 a 100 graus Celsius", diz Porosoff. "Trata-se de uma diferença realmente significativa nos estudos catalíticos em que se tenta garantir a reprodutibilidade das medições e a possibilidade de acoplar várias reacções."

A equipa aplicou a sua nova técnica para estudar catalisadores em tandem, em que uma reação exotérmica fornece calor suficiente para desencadear uma reação endotérmica. O emparelhamento eficaz destas reacções pode minimizar o desperdício de calor e conduzir a processos de engenharia química mais eficientes.

Porosoff afirma que a técnica também pode ajudar a mudar a forma como os investigadores conduzem os estudos de catálise, conduzindo a medições mais cuidadosas, a um trabalho reproduzível e a conclusões mais sólidas em todo o campo.