Muitos produtos comuns, incluindo plásticos e detergentes, dependem de reações químicas que utilizam catalisadores feitos de metais preciosos, como o platina. Esses metais são eficazes, mas caros e limitados em quantidade. Durante anos, os cientistas buscaram alternativas que sejam mais baratas e sustentáveis. Uma opção promissora é o carboneto de tungstênio, um material abundante na Terra, que já é amplamente utilizado em maquinários industriais, ferramentas de corte e cinzéis.
Apesar de seu potencial, o carboneto de tungstênio não tem sido fácil de usar como catalisador. Seu comportamento químico pode ser imprevisível, o que restringiu sua adoção mais ampla. Pesquisadores liderados por Marc Porosoff, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Sustentabilidade da Universidade de Rochester, fizeram agora progressos importantes que podem permitir que o carboneto de tungstênio concorra com o platina em reações químicas cruciais.
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 carboneto de tungstênio se organizam.
Os átomos de carboneto de tungstênio podem formar muitas configurações diferentes, conhecidas como fases, diz Perera. Essas fases podem influenciar fortemente a performance do material como catalisador.
“Não há um entendimento claro da estrutura superficial do carboneto de tungstênio porque é realmente difícil medir a superfície catalítica dentro das câmaras onde essas reações químicas ocorrem”, afirma.
Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa projetou um método para controlar com precisão a estrutura do carboneto 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 carboneto de tungstênio em escala nanométrica dentro de reatores químicos que operam a temperaturas acima de 700 graus Celsius.
Usando uma técnica chamada carbidização por 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 oferecem o melhor desempenho.
“Algumas 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, a β-W2C, que mostrou 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 carboneto de tungstênio poderia igualar a eficácia do platina sem seu alto custo ou limitações de fornecimento.
Transformando Resíduos Plásticos em Novos Materiais
Além da conversão de dióxido de carbono, Porosoff e seus colaboradores também exploraram o carboneto de tungstênio como um catalisador para a reciclagem de resíduos plásticos. Seu trabalho se concentra na upcycling, um processo que transforma plásticos descartados em produtos de maior valor, em vez de materiais de qualidade inferior.
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 carboneto de tungstênio pode impulsionar um processo químico conhecido como hidroquebra.
A hidroquebra quebra grandes moléculas em menores que podem ser reutilizadas para fazer novos materiais. Neste caso, a equipe focou no polipropileno, que é utilizado em garrafas d’água e muitos outros produtos plásticos.
Embora a hidroquebra seja comum na refinação de petróleo e gás, aplicá-la a resíduos plásticos tem se mostrado difícil. As longas cadeias poliméricas dos plásticos descartáveis são extremamente estáveis, e contaminantes nas correntes de resíduos podem desativar rapidamente catalisadores tradicionais. Catalisadores à base de platina também dependem de estruturas microporosas que são muito pequenas para que grandes moléculas plásticas entrem, limitando sua eficácia.
“O carboneto de tungstênio, quando feito com a fase correta, possui propriedades metálicas e ácidas que são boas para quebrar as cadeias de carbono nesses polímeros”, afirma Porosoff. “Essas grandes cadeias poliméricas volumosas podem interagir com o carboneto de tungstênio muito mais facilmente porque não possuem microporos que causam limitações nos catalisadores típicos à base de platina.”
Os resultados foram surpreendentes. O carboneto de tungstênio não só era muito menos caro do que os catalisadores de platina, mas também era mais de 10 vezes mais eficiente na hidroquebra de resíduos plásticos. Os pesquisadores afirmam que essa abordagem poderia abrir novos caminhos para reciclar 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 grosseiras, o que pode ocultar variações críticas na superfície do catalisador. Essa falta de precisão torna difícil entender completamente e reproduzir o comportamento catalítico.
Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa adotou técnicas de medição óptica desenvolvidas no laboratório de Andrea Pickel, professora visitante do Departamento de Engenharia Mecânica. Em um estudo publicado na EES Catalysis, 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 variar de 10 a 100 graus Celsius”, diz Porosoff. “Essa é uma diferença realmente significativa em estudos catalíticos onde você está tentando garantir que as medições sejam reproduzíveis e que múltiplas reações possam ser acopladas.”
Usando essa técnica, a equipe examinou sistemas de catalisadores em tandem, nos quais o calor liberado por uma reação impulsiona outra reação que requer entrada de calor. Melhorar o acoplamento dessas reações pode reduzir o desperdício de energia e melhorar a eficiência geral.
Porosoff afirma que o método pode influenciar como a pesquisa em catálise é conduzida de maneira 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 Sloan Foundation e pelo Departamento de Energia. A pesquisa do Journal of the American Chemical Society recebeu financiamento da National Science Foundation. O estudo da EES Catalysis foi financiado pela New York State Energy Research and Development Authority por meio da Carbontech Development Initiative.