Novo catalisador torna reciclagem de plástico 10 vezes mais eficaz que platina

Apesar de seu potencial, o carbide de tungstênio não tem sido fácil de usar como catalisador. Seu comportamento químico pode ser imprevisível, o que limitou sua adoção mais ampla. Pesquisadores liderados por Marc Porosoff, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Sustentabilidade da Universidade de Rochester, agora fizeram progressos importantes que podem permitir que o carbide de tungstênio concorram com o platina em reações químicas essenciais.

Por que a Estrutura Atômica Importa

De acordo com Sinhara Perera, uma estudante de doutorado em engenharia química no laboratório de Porosoff, um dos principais desafios reside na forma como os átomos de carbide de tungstênio se organizam.

Os átomos de carbide de tungstênio podem formar muitas configurações diferentes, conhecidas como fases, diz Perera. Essas fases podem influenciar fortemente o desempenho do material como catalisador.

“Não houve uma compreensão clara da estrutura da superfície do carbide de tungstênio porque é realmente difícil medir a superfície catalítica dentro das câmaras onde essas reações químicas ocorrem”, ela explica.

Para abordar esse problema, a equipe de pesquisa desenvolveu um método para controlar precisamente a estrutura do carbide de tungstênio durante reações ativas. Em um estudo publicado na ACS Catalysis, Porosoff, Perera e a estudante de graduação em engenharia química Eva Ciuffetelli ’27 manipularam partículas de carbide de tungstênio em escala nanométrica dentro de reatores químicos que operam a temperaturas superiores a 700 graus Celsius.

Usando uma técnica chamada carburização programada por temperatura, os pesquisadores criaram catalisadores de carbide de tungstênio em fases específicas diretamente dentro do reator. Em seguida, realizaram reações químicas e analisaram quais versões apresentavam o melhor desempenho.

“Algumas das fases são mais termodinamicamente estáveis, então é onde o catalisador inherentemente quer acabar”, diz Porosoff. “Mas outras fases que são menos termodinamicamente estáveis são mais eficazes como catalisadores.”

A equipe identificou uma fase em particular, β-W2C, que apresentou desempenho excepcional em reações que convertem dióxido de carbono em blocos de construção essenciais para combustíveis e produtos químicos úteis. Com otimizações adicionais pela indústria, os pesquisadores acreditam que essa forma de carbide de tungstênio poderia igualar a eficácia do platina sem seu alto custo ou limitações de oferta.

Transformando Resíduos Plásticos em Novos Materiais

Além da conversão de dióxido de carbono, Porosoff e seus colaboradores também exploraram o carbide de tungstênio como catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos. O trabalho deles se concentra no upcycling, um processo que transforma plásticos descartados em produtos de maior valor, em vez de materiais de menor qualidade.

Em um estudo publicado no Journal of the American Chemical Society, liderado por Linxao Chen da Universidade do Texas do Norte e apoiado por Porosoff e pelo professor assistente da Universidade de Rochester, Siddharth Deshpande, os pesquisadores demonstraram como o carbide de tungstênio pode impulsionar um processo químico conhecido como hidrocracking.

O hidrocracking quebra grandes moléculas em moléculas menores que podem ser reutilizadas para fabricar novos materiais. Neste caso, a equipe focou no polipropileno, utilizado em garrafas d’água e muitos outros produtos plásticos.

Embora o hidrocracking seja comum na refinação de petróleo e gás, aplicá-lo a resíduos plásticos tem se mostrado difícil. As longas cadeias poliméricas em plásticos de uso único são extremamente estáveis, e contaminantes nas correntes de resíduos podem desativar rapidamente catalisadores tradicionais. Os catalisadores baseados em platina também dependem de estruturas microporosas que são muito pequenas para que grandes moléculas plásticas entrem, limitando sua eficácia.

“O carbide de tungstênio, quando feito com a fase correta, tem propriedades metálicas e ácidas que são boas para quebrar as cadeias de carbono nesses polímeros”, diz Porosoff. “Essas grandes cadeias poliméricas volumosas podem interagir mais facilmente com o carbide de tungstênio porque não têm microporos que causam limitações com os catalisadores típicos à base de platina.”

Os resultados foram impressionantes. O carbide de tungstênio não só era muito mais barato do que os catalisadores de platina, mas também era mais de 10 vezes mais eficiente no hidrocracking de resíduos plásticos. Os pesquisadores afirmam que essa abordagem poderia abrir novos caminhos para a reciclagem de plásticos e avançar uma economia circular, onde os materiais são continuamente reutilizados.

Medindo Calor Onde É Importante

Um fator chave por trás desses avanços é a capacidade de medir com precisão a temperatura nas superfícies dos catalisadores. Reações químicas absorvem calor (endotérmicas) ou liberam calor (exotérmicas), e gerenciar a temperatura é crítico para a eficiência. Muitos processos industriais dependem de múltiplas reações ocorrendo juntas, tornando o controle preciso da temperatura ainda mais importante.

Métodos atuais de medição de temperatura fornecem apenas médias grossas, o que pode ocultar variações críticas na superfície do catalisador. Essa falta de precisão dificulta entender e reproduzir completamente o comportamento catalítico.

Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa adotou técnicas de medição óptica desenvolvidas no laboratório de Andrea Pickel, uma professora visitante no Departamento de Engenharia Mecânica. Em um estudo publicado no EES Catalysis, eles descreveram um novo método para medir diretamente as temperaturas dentro de reatores químicos.

“Aprendemos com este estudo que, dependendo do tipo de química, a temperatura medida com essas leituras em massa pode estar errada em 10 a 100 graus Celsius”, diz Porosoff. “Isso é uma diferença realmente significativa em estudos catalíticos em que você está tentando garantir que as medições sejam reproduzíveis e que várias reações possam ser acopladas.”

Usando essa técnica, a equipe examinou sistemas de catalisadores em tandem nos quais o calor liberado por uma reação alimenta outra reação que requer entrada de calor. Melhorar o ajuste dessas reações pode reduzir o desperdício de energia e melhorar a eficiência geral.

Porosoff afirma que o método pode influenciar a forma como a pesquisa em catálise é conduzida de forma mais ampla, incentivando medições mais precisas, maior reprodutibilidade e resultados mais confiáveis em todo o campo.

Financiamento e Apoio

O estudo da ACS Catalysis foi apoiado pela Fundação Sloan e pelo Departamento de Energia. A pesquisa do Journal of the American Chemical Society recebeu financiamento da Fundação Nacional de Ciências. O estudo da EES Catalysis foi financiado pela Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia do Estado de Nova York através da Iniciativa de Desenvolvimento Carbontech.