Vols estar al dia? Subscriu-te al nostre newsletter. 1 E-mail cada 2 Mesos! |
 |
D'esquerra a dreta: Giovanni Agostini (anterior responsable de línia de llum a NOTOS, ALBA), Gonzalo Prieto (ITQ), Juan José Cortés (ITQ), Wilson Henao (ITQ), Carlos Escudero (científic de la línia de llum NOTOS, ALBA) i Carlo Marini (responsable de la línia de llum NOTOS, ALBA). Esquema de la reacció: rodi en groc, estany en gris i oxigen en vermell. Anàlisi estructural del catalitzador d'un sol àtom de Rh obtingut a la línia de llum CLÆSS.
Cerdanyola del Vallès (Barcelona), 21 d'agost de 2023. La hidroformilació d'etilè és un procés químic de gran importància industrial. En concret, aquesta reacció química implica l'addició neta d'un grup formil (-CHO carboni, hidrogen i oxigen) i un àtom d'hidrogen al doble enllaç etilè carboni-carboni. Aquest procés permet valoritzar matèries primeres com els gasos de refineria, així com matèries primeres no convencionals com el gas d'esquist (un tipus de gas natural) en productes químics de plataforma oxigenada. A més, la hidroformilació també es considera una alternativa de separació reactiva a les destil·lacions criogèniques actuals, que s'apliquen per recuperar etilè, un producte químic valuós, de barreges amb gasos menys valuosos com l'età. Aquestes separacions per destil·lació criogènica es troben entre les operacions que més demanen energia a la indústria química i, per tant, estan associades a una empremta de carboni elevada.
Els catalitzadors són materials que són clau per dirigir totes les transformacions químiques de la indústria química actual. Una classe important de catalitzadors industrials consisteix en compostos organometàl·lics moleculars que operen en un solvent líquid. Aquests catalitzadors han demostrat ser altament actius i extremadament selectius per a una àmplia gamma de transformacions importants. Tot i això, també s'enfronten a importants desafiaments. En primer lloc, la seva limitada estabilitat tèrmica i química, cosa que escurça la seva vida funcional. D'altra banda, la complexitat tècnica associada a la recuperació a partir de barreges líquides amb productes i dissolvents del procés, per evitar pèrdues dels metalls preciosos que típicament componen aquests catalitzadors.
Ara un equip de l'Institut de Tecnologia Química (ITQ, UPV-CSIC), el Sincrotró ALBA, l'Institut de Nanociència i Materials de l'Aragó (INMA, UZ-CSIC) i l'Institut Tecnològic de Karlsruhe ha dissenyat un nou catalitzador gas selectiu per a la hidroformilació d'etilè en dues fases. La seva investigació mostra que un material que conté àtoms aïllats de rodi (Rh) estabilitzats dins la superfície d'un òxid d'estany (SnO2) és un catalitzador sòlid totalment inorgànic que ofereix un rendiment excepcional per a la hidroformilació en fase gasosa de l'etilè, semblant a els que s'obtenen per a catalitzadors moleculars convencionals en medis líquids.
En altres paraules, l'estudi demostra la possibilitat de substituir els catalitzadors moleculars en solució per catalitzadors totalment sòlids basats en àtoms metàl·lics aïllats. El descobriment obre el camí cap a processos químics més verds, amb més eficiència energètica i menys empremta de carboni, i la valorització de matèries primeres no convencionals, alternatives al cru.
"Separar molècules de gas amb punts d'ebullició molt baixos i similars implica enormes quantitats d'energia. La hidroformilació d'etilè pot convertir selectivament l'etilè present en barreges complexes en propanal, una molècula amb un punt d'ebullició superior a més de 150 ºC, per la qual cosa és molt fàcil de separar de la barreja de compostos menys valuosos a temperatures properes a la ambient. Això redueix enormement els costos energètics de les separacions i contribueix a la transició cap a una indústria química més ecològica. Tot i que la reacció s'ha implementat durant molt de temps amb catalitzadors moleculars en medis líquids, el nostre estudi demostra la seva efectivitat en catalitzadors sòlids, que són més estables i més fàcils d'aïllar i manipular i, per tant, idonis per a l'aplicació industrial", explica Gonzalo Prieto, científic del CSIC a l'ITQ i investigador principal de l'estudi.
Aquesta investigació ha utilitzat diferents tècniques. D'una banda, tècniques de laboratori com la difracció de raigs X (XRD), l'espectroscòpia Raman i la microscòpia electrònica d'escombrada-transmissió. D'altra banda, les tècniques de llum de sincrotró com l'espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS) a les línies de llum CLÆSS i NOTOS de l'ALBA. La combinació de tots ha permès seguir l'evolució estructural i electrònica dels catalitzadors, mostrant com els àtoms de Rh romanen aïllats, dins la superfície de l'òxid d'estany, durant la seva "acció catalítica". Part dels experiments es van realitzar en configuracions que permeten fer XAS i XRD de forma sequencial. Aquesta configuraicó ha estat desenvolupada recentment per l'equip de l'ITQ en col·laboració amb membres d'ALBA (Carlo Marini i Giovanni Agostini), com a part del projecte RTI2018-096399-A-I00, finançat pel Ministeri de Ciència i Innovació, i la Plataforma Temàtica Interdisciplinar de Transició Energètica Sostenible (PTI-TRANSENER+) dins del programa del CSIC en el marc del Pla Espanyol de Recuperació, Transformació i Resiliència. Els sistemes permeten experiments gairebé simultanis d'absorció i difracció de raigs X en catalitzadors i altres materials funcionals en condicions d'operació (hidrodinàmica gas-sòlid, temperatura, pressió, etc.) que emulen les condicions industrials dels materials.
Referència: Marcos G. Farpón, Wilson Henao, Dr. Philipp N. Plessow, Eva Andrés, Dr. Raúl Arenal, Dr. Carlo Marini, Dr. Giovanni Agostini, Prof. Dr. Felix Studt, Dr. Gonzalo Prieto. Rhodium Single-Atom Catalyst Design through Oxide Support Modulation for Selective Gas-Phase Ethylene Hydroformylation. Angewandte Chemie (2023) 62
