Muitos produtos comuns, incluindo plásticos e detergentes, dependem de reações químicas que dependem de catalisadores de metais preciosos, como a platina. Esses metais são eficazes, mas caros e com fornecimento limitado. Durante anos, os cientistas procuraram alternativas mais baratas e sustentáveis. Uma opção promissora é o carboneto de tungstênio, um material abundante na Terra e já amplamente utilizado em máquinas industriais, ferramentas de corte e cinzéis.
Apesar do seu potencial, o carboneto de tungstênio não era fácil de usar como catalisador. O seu comportamento químico pode ser imprevisível, limitando a sua adoção mais ampla. Pesquisadores liderados por Mark Porasov, professor associado de engenharia química e engenharia de sustentabilidade na Universidade de Rochester, fizeram um avanço importante que poderia permitir que o carboneto de tungstênio competisse com a platina nas principais reações químicas.
Por que a estrutura atômica é importante
Segundo Sinhara Perera, estudante de graduação em engenharia química no laboratório de Porasov, um dos principais desafios é a disposição dos átomos de carboneto de tungstênio.
Os átomos de carboneto de tungstênio podem formar muitas configurações diferentes, conhecidas como fases, diz Perera. Essas fases podem afetar muito o desempenho de um material como catalisador.
“Não houve uma compreensão clara da estrutura da superfície do carboneto de tungstênio porque é muito difícil medir a superfície catalítica dentro das câmaras onde ocorrem essas reações químicas”, diz ela.
Para resolver este problema, a equipe de pesquisa desenvolveu um método para controlar com precisão a estrutura do carboneto de tungstênio durante as reações ativas. Num estudo publicado em Catálise AKSPorosoff, Perera e a estudante de engenharia química Eva Zuffetelli ’27 manipularam partículas de carboneto de tungstênio em nanoescala dentro de reatores químicos que operam em temperaturas acima de 700 graus Celsius.
Usando uma tecnologia chamada carbonização com temperatura programada, os pesquisadores criaram catalisadores de carboneto de tungstênio em fases específicas diretamente dentro do reator. Eles então realizaram reações químicas e analisaram quais versões proporcionavam o melhor desempenho.
“Algumas das fases são mais estáveis termodinamicamente, então é aí que o catalisador quer estar inerentemente”, diz Porasoff. “Mas outras fases, que são menos estáveis termodinamicamente, são mais eficazes como catalisadores.”
A equipe identificou uma fase em particular, β-W2C, que mostrou desempenho excepcional em reações que convertem dióxido de carbono em blocos de construção essenciais para combustíveis e produtos químicos úteis. Os pesquisadores acreditam que, com maior otimização nas áreas de carboneto de tungstênio, esta forma poderia igualar a eficiência da platina sem seu alto preço ou restrições de fornecimento.
Transformando resíduos plásticos em novos materiais
Além de converter dióxido de carbono, Porasoff e seus colaboradores também investigaram o carboneto de tungstênio como catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos. O seu trabalho centra-se na reciclagem, um processo que transforma plásticos descartados em produtos de maior valor, em vez de materiais de qualidade inferior.
Num estudo publicado em Jornal da Sociedade Química Americanaliderados por Linxao Chen, da Universidade do Norte do Texas, e apoiados por Porosoff e pelo professor associado da Universidade de Rochester, Siddharth Deshpande, os pesquisadores demonstraram como o carboneto de tungstênio pode controlar um processo químico conhecido como hidrocraqueamento.
O hidrocraqueamento quebra moléculas grandes em moléculas menores que podem ser reutilizadas para produzir 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 processamento de petróleo e gás, sua aplicação em resíduos plásticos tem se mostrado um desafio. As longas cadeias poliméricas em plásticos descartáveis são extremamente estáveis e os contaminantes nos fluxos de resíduos podem desativar rapidamente os catalisadores tradicionais. 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 o carboneto de tungstênio é feito com a fase certa, ele possui propriedades metálicas e ácidas que são boas para quebrar as cadeias de carbono desses polímeros”, diz Porasoff. “Essas cadeias poliméricas grandes e volumosas podem interagir com o carboneto de tungstênio muito mais facilmente porque não possuem os microporos que causam limitações com os catalisadores típicos à base de platina.”
Os resultados foram impressionantes. O carboneto de tungstênio não era apenas muito mais barato que os catalisadores de platina, mas também mais de 10 vezes mais eficaz no hidrocraqueamento de resíduos plásticos. Os investigadores dizem que a abordagem pode abrir novos caminhos para a reciclagem de plásticos e o desenvolvimento de uma economia de ciclo fechado onde os materiais são continuamente reutilizados.
Medindo o calor onde é importante
Um fator chave nesses avanços é a capacidade de medir com precisão a temperatura nas superfícies do catalisador. As reações químicas absorvem calor (endotérmica) ou liberam calor (exotérmica), e o controle da temperatura é fundamental para a eficiência. Muitos processos industriais dependem de múltiplas reações que ocorrem juntas, tornando o controle preciso da temperatura ainda mais importante.
Os métodos atuais de medição de temperatura fornecem apenas valores médios aproximados, 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 técnicas de medição óptica desenvolvidas no laboratório de Andrea Pickel, professora visitante do Departamento de Engenharia Mecânica. Num estudo publicado em Catálise EESeles descreveram um novo método para medir diretamente a temperatura dentro de reatores químicos.
“O que aprendemos com este estudo é que, dependendo do tipo de química, a temperatura medida com essas leituras volumétricas pode variar de 10 a 100 graus Celsius”, diz Porasoff. “Essa é uma diferença realmente grande nos estudos catalíticos, onde se tenta garantir que as medições sejam reproduzíveis e que múltiplas reações possam ser acopladas.”
Usando esta técnica, a equipe investigou sistemas catalíticos em tandem, nos quais o calor liberado por uma reação impulsiona outra reação que requer a entrada de calor. Uma melhor correspondência destas reações pode reduzir o desperdício de energia e aumentar a eficiência global.
Porasoff diz que o método pode influenciar a forma como a pesquisa em catálise é feita de forma mais ampla, incentivando medições mais precisas, maior reprodutibilidade e resultados mais confiáveis em todo o campo.
Financiamento e apoio
A pesquisa ACS Catalysis foi apoiada pela Sloan Foundation e pelo Departamento de Energia. A pesquisa do Journal of the American Chemical Society recebeu financiamento da National Science Foundation. A pesquisa EES Catalysis foi financiada pelo Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York por meio da Carbontech Development Initiative.
