El polipropileno es un tipo común de plástico que se encuentra en muchos productos esenciales que se utilizan hoy en día, como los recipientes para alimentos y los dispositivos médicos. Debido a que el polipropileno es tan popular, está aumentando la demanda de un producto químico que se utiliza para fabricarlo. Ese producto químico, el propileno, se puede producir a partir del propano. El propano es un gas natural que se utiliza comúnmente en las parrillas para barbacoa.
Científicos del Laboratorio Nacional Argonne y del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) informan sobre una forma más rápida y energéticamente eficiente de fabricar propileno que el proceso utilizado actualmente.
La conversión de propano en propileno generalmente implica un catalizador metálico, como cromo o platino, sobre un material de soporte, como óxido de aluminio o dióxido de silicio. El catalizador acelera la reacción, pero también requiere altas temperaturas de funcionamiento y un consumo de energía elevado.
En un proyecto colaborativo, científicos de Argonne y Ames descubrieron que el circonio combinado con nitruro de silicio mejora la conversión catalítica del gas propano en propileno. Lo hace de una manera que reacciona más rápido y es menos tóxica y utiliza menos energía que otros metales no preciosos, como el cromo. También es menos costoso que los catalizadores de metales preciosos como el platino.
Este descubrimiento también revela una manera de reducir la temperatura del proceso catalítico, lo que a su vez reduce la cantidad de dióxido de carbono liberado, que representa casi el 80% de las emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos.
Además, esta investigación ofrece una visión de la reactividad que se puede lograr con otros metales de bajo costo en la conversión catalítica de propano en propileno.
Desde hace algún tiempo, los químicos de Argonne David Kaphan y Max Delferro han estado estudiando sistemáticamente cómo las superficies no tradicionales influyen y promueven la catálisis.
Como investigadores principales de este estudio, querían comprender cómo se compara un catalizador metálico no tradicional en un tipo de soporte no tradicional con los materiales utilizados tradicionalmente durante la conversión catalítica de propano.
Los materiales de soporte de los catalizadores suelen tener grandes áreas superficiales y ayudan a distribuir los catalizadores. También 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 una catálisis significativamente más activa para la conversión de propano en propileno. Por el contrario, no sucedía lo mismo con el soporte de sílice.
También descubrieron que el soporte de nitruro de silicio permitía la catálisis de una manera más rápida y con mayor eficiencia energética que con los metales tradicionales sobre sílice. Como soporte de catalizador, el nitruro de silicio puede mejorar las reacciones químicas en la superficie de los metales en comparación con los óxidos utilizados tradicionalmente.
Los científicos lograron la conversión catalítica del propano a una temperatura de 842 grados F. Esta es ligeramente inferior a los 1.022 grados F que normalmente se requieren para la catálisis con materiales tradicionales.
Además, cuando se ejecuta a la misma temperatura que los catalizadores tradicionales para esta transformación, las velocidades de reacción fueron significativamente más rápidas que las de materiales similares con soportes de óxido.
Este descubrimiento también ofrece una prueba de que este concepto puede generalizarse a otras reacciones importantes.
«Esto abre una ventana a la reactividad de los metales soportados por nitruro. Vemos potencial en 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 Kaphan.
Esta investigación se benefició de la fuente de fotones avanzada (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 cómo la interacción del catalizador de circonio con el material de nitruro difiere del material de óxido.
Los investigadores de Argonne también colaboraron con Frédéric Perras, un científico del Laboratorio Nacional Ames, para comprender mejor la estructura del catalizador de nitruro de silicio y circonio. Utilizó una técnica de resonancia magnética nuclear mejorada con polarización nuclear 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 parte desconocida, y eso es lo que me pareció más emocionante de este trabajo», dijo Perras, quien también es profesor asociado adjunto en la Universidad Estatal de Iowa.
La combinación de técnicas de caracterización de materiales disponibles en Argonne y Ames y la experiencia de las personas que trabajaron en este artículo es lo que contribuyó al éxito de este experimento, según Delferro.
«Una sola persona no puede hacerlo todo. Esto es realmente un esfuerzo de equipo y todos aportaron su experiencia para lograr este objetivo», afirmó.
Se publicó un artículo sobre el estudio en la revista Revista de la Sociedad Química AmericanaAdemás de Delferro, Kaphan y Perras, entre los autores se incluyen Joshua DeMuth, Yu Lim Kim, Jacklyn Hall, Zoha Syed, Kaixi Deng, Magali Ferrandon, A. Jeremy Kropf y Liu Cong.
La investigación contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del DOE, de la División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, del programa de Ciencias de la Catálisis.
