Revista de Investigación y Desarrollo
Acceso abierto
ISSN: 2311-3278
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Yanhui Yi
El metano (CH 4 ), principal componente del gas natural y del gas de esquisto, tiene una gran reserva y amplia distribución en el mundo, por lo que ha sido considerado como una fuente de energía alternativa al petróleo. Sin embargo, debido a la alta estabilidad (439 kJ/mol de energía de enlace CH), la afinidad electrónica insignificante y la baja polarizabilidad de la molécula de CH 4 , la conversión catalítica de CH 4 en productos químicos de valor agregado se considera el "santo grial" de la química catalítica y, por lo tanto, la utilización eficaz de CH 4 ha atraído mucha atención. Aquí, reportamos una reacción de plasma CH 4 /NH 3 promovida por catalizadores de Pt y Cu para la síntesis de ácido cianhídrico (HCN) a baja temperatura (400 oC). El HCN, un químico importante en la química orgánica, se usa ampliamente en pesticidas, medicamentos, metalurgia, combustibles y polímeros, pero actualmente se produce a través del proceso de Andruddow (1000-1100 o C, catalizador de gasa de aleación de Pt-Rh), la reacción de CH 4 , NH 3 , y O 2 , o proceso BMA (1300 o C, catalizador de malla de Pt), la reacción de CH 4 y NH 3 a presión atmosférica. Es decir, la tecnología de catálisis por plasma ha reducido drásticamente la temperatura de reacción para la síntesis de HCN. También reportamos una reacción de plasma CH 4 /O 2 promovida por Ni/Al 2 O 3 catalizadores para la producción de CH 3 OH. En las condiciones de 85 ℃, relación molar CH 4 /O 2 2:1 , tiempo de residencia de 0,393 s y potencia de descarga de 30 W, se logra una selectividad de metanol del 66,6 % con una conversión de metano del 6,4 %. Los catalizadores de Ni/Al 2 O 3 se caracterizaron por TPR, XRD, XPS y HRTEM, y los resultados muestran que la producción de CH 3 OH se atribuye principalmente a la fase de NiO altamente dispersa que tiene una fuerte interacción con el soporte de Al 2 O 3 . Además, los resultados del modelo 0D (ZD-Plaskin) muestran que el CH 3 OH se produce principalmente a través de las reacciones de radicales CH 4 + O(1D) → CH 3O + H，CH 3 O + H → CH 3 OH y CH 3 O + HCO → CH 3 OH + CO
Las transformaciones químicas de CO 2 en productos químicos y combustibles de valor añadido se han considerado un elemento clave para crear una economía sostenible baja en carbono en la industria química y energética. Una ruta particularmente importante que se está desarrollando actualmente para la utilización de CO2 es la hidrogenación catalítica de CO2 . Este proceso puede producir una variedad de combustibles y productos químicos, incluidos CO, ácido fórmico, metanol, hidrocarburos y alcoholes; sin embargo, los altos consumos de H 2 (CO 2 +3 H 2 →CH 3 OH+H 2 O) y las altas presiones de operación (aprox. 30–300 bar) son los principales desafíos asociados con este proceso.
En lugar de utilizar H 2 , la conversión directa de CO 2 con CH 4 (reformado seco de metano, DRM) en combustibles líquidos y productos químicos (p. ej., ácido acético) representa otra vía prometedora tanto para la valorización del CO 2 como para la activación del CH 4 . El CH 4 es un proveedor ideal de H para reemplazar el H 2 en la hidrogenación de CO 2 ya que el CH 4 tiene una alta densidad de H y está disponible a partir de una variedad de fuentes (p. ej., gas natural, gas de esquisto, biogás y gas quemado). Además, es una fuente de carbono económica que puede aumentar la utilización atómica de CO 2 hidrogenación debido a la relación estequiométrica de átomos de C y O, así como reducir la formación de agua.
Recientemente, Ge y sus colaboradores investigaron el acoplamiento directo C-C de CO 2 y CH 4 para formar ácido acético en un catalizador de ceria dopado con Zn mediante el modelado de la teoría funcional de la densidad (DFT); 1 esta es una ruta atractiva ya que la conversión directa de CO 2 y CH 4 en ácido acético es una reacción con una economía atómica del 100 % [Ecuación 1]. Sin embargo, esta reacción es termodinámicamente desfavorable en condiciones prácticas. El proceso catalítico indirecto convencional a menudo procede a través de dos pasos (Esquema 1): 1) DRM para producir gas de síntesis (CO y H 2 ) a altas temperaturas (>700 °C), y 2) conversión de gas de síntesis en combustibles líquidos y productos químicos a altas temperaturas. presiones Esta ruta indirecta para el COLa valorización de 2 y la activación de CH 4 son ineficientes ya que el proceso DRM para la producción de gas de síntesis es altamente endotérmico y requiere altas temperaturas y entrada de energía [Ecuación 2]. La desactivación del catalizador debido a la deposición de carbono es otro desafío que afecta el uso de esta reacción a escala comercial. Es casi imposible convertir directamente dos moléculas estables e inertes (CO 2 y CH 4 ) en combustibles líquidos o productos químicos en un proceso catalítico de un solo paso sin pasar por la producción de gas de síntesis. Se propuso un método por etapas para convertir CO 2 y CH 4 en ácido acético sobre catalizadores a base de Cu/Co, 2 Pd/C, Pt/Al 2 O 3 , 3 Pd/SiO 2 , y Rh/SiO 2 4 por catálisis heterogénea. El catalizador se expuso primero a CH 4 , formando especies de CH x en la superficie del catalizador. Posteriormente, el gas de alimentación se cambió de CH 4 a CO 2 y se formó ácido acético a través de la reacción de CO 2 con CH x sobre el catalizador. Este proceso indirecto se complica por el cambio periódico de reactivos y la colección de productos. 5
En conclusión, la síntesis en un solo paso a temperatura ambiente de combustibles líquidos y productos químicos a partir del reformado directo de CO 2 con CH 4 se ha logrado mediante el uso de un novedoso reactor DBD a presión atmosférica. La selectividad total para los productos químicos líquidos fue de aproximadamente 50 a 60 %, con ácido acético como producto principal. La relación molar CH 4 /CO 2 y el tipo de catalizador pueden utilizarse para manipular la producción de diferentes compuestos oxigenados. Estos resultados muestran claramente que los plasmas no térmicos se pueden utilizar para superar la barrera termodinámica para la transformación directa de CH 4 y CO 2 en una gama de productos químicos de plataforma estratégicamente importantes, especialmente para la producción de ácido acético con una economía atómica del 100 %. Además, la combinación de DBD con catalizadores de metales nobles produjo formaldehído, que no se puede generar en la misma reacción de plasma sin un catalizador. Este hallazgo sugiere que la nueva investigación debe dirigirse al diseño de un catalizador con alta selectividad hacia un producto deseable.
Nota : Este trabajo se presenta parcialmente en la 8.ª Conferencia Internacional sobre Petroquímica y Comercialización de Petróleo y Gas del 15 al 16 de julio de 2019 Ámsterdam, Países Bajos