Transformando gás em combustíveis com melhores ligas

Geração consumindo combustível líquido, defeito ou não? (Julho 2019).

Anonim

Os avanços tecnológicos na estimulação de poços de petróleo e gás ao longo da última década permitem agora a produção de gás natural a partir de gás de xisto retido em formações rochosas no subsolo. Com o súbito aumento na disponibilidade de gás de xisto, os cientistas recuperaram o interesse na ativação carbono-hidrogênio (C – H), o processo de quebra das ligações C – H de gases como o metano para formar cadeias de hidrocarbonetos que podem ser usadas como combustível..

Mas os cientistas estão longe de extrair esses combustíveis do gás de xisto - a maioria dos catalisadores da ativação de C-H remove muitos átomos de hidrogênio, deixando para trás um sólido de carbono indesejado chamado coque.

Desejando uma liga metálica que funcionasse como um catalisador para a ativação de C – H enquanto permanecesse resistente a coque, uma equipe liderada por Charles Sykes, da Universidade Tufts, concebeu uma liga feita de platina metálica reativa e cobre metálico inerte. Em uma série de experimentos de laboratório, a equipe de Sykes analisou cobre puro, platina pura e uma liga de um único átomo de cobre e platina (SAA) para determinar as interações de cada material com hidrocarbonetos derivados de metano, moléculas encontradas naturalmente no gás de xisto. A equipe descobriu que a SAA de cobre-platina era resistente à coqueificação.

Após essa descoberta, o grupo Multiscale Computational Catysis & Materials Science liderado por Michail Stamatakis na University College London usou os recursos de computação de alto desempenho (HPC) da Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para desmascarar detalhes dos experimentos por meio de simulações. Matthew Darby, um pós-doutorado na época e agora ganhador do prêmio doutoral do Conselho de Pesquisas em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido, trabalhando no grupo Stamatakis, realizou os cálculos para o projeto.

Darby descobriu que, a baixas temperaturas, a platina retira rapidamente os hidrogênios do metano, levando à formação de depósitos de carbono; o cobre é incapaz de quebrar ligações C – H, exceto em altas temperaturas. Descobriu-se, no entanto, que a liga de platina e cobre da equipe quebra eficientemente as ligações C – H em temperaturas intermediárias sem formar coque. Como o cobre puro, a liga também era capaz de formar cadeias de metano de duas e três moléculas - e poderia alcançar isso a uma temperatura de mais de 100 graus Celsius mais fria do que o exigido pelo cobre.

"Esses cálculos são computacionalmente caros. Para alguns, se você os executasse em seu laptop, pode levar vários meses para executar um cálculo", disse Darby. "No OLCF, pode demorar um ou dois dias, porque você tem centenas de núcleos para trabalhar."

Poderosos supercomputadores da OLCF, uma instalação do Departamento de Ciência do Usuário do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no DOE, resolvem problemas científicos complexos em energia, materiais, química e muitos outros domínios científicos. Os resultados das simulações da equipe explicam as reações da platina e do cobre com o metano e oferecem um novo catalisador resistente ao coque.

Armado com esse novo conhecimento, os experimentalistas da Tufts criaram uma réplica em micronível do desempenho de uma fábrica de produtos químicos reais para obter ainda mais insights sobre o processo. O projeto demonstra que a teoria pode ser usada para refinar experimentos fornecendo compreensão fundamental, preparando o terreno para trabalhos experimentais em larga escala.

Um problema de coque

Combustíveis comuns que existem como cadeias de moléculas de hidrocarbonetos incluem o propano, freqüentemente usado em fornos para aquecimento, e o butano, o líquido encontrado na maioria dos isqueiros. Usando a ativação de C – H, os cientistas podem iniciar reações dentro do hidrocarboneto mais simples - o metano - e, assim, incentivar essas moléculas a se unirem para formar combustíveis úteis. Como as formações de xisto são abundantes e as fontes de hidrocarbonetos mais longos (por exemplo, petróleo bruto) estão se esgotando, os cientistas estão buscando maneiras de converter cataliticamente o metano nesses combustíveis.

Os metais de transição, como a platina e o níquel, são catalisadores eficazes, mas também provocam a formação de grandes quantidades de depósitos de coque obstrutivos. Essa camada de carbono cobre a parte superior do metal, tornando as moléculas de metano restantes incapazes de reagir com o restante do material metálico.

"A cocaína é um grande problema na química industrial", disse Darby. "Uma vez depositado, você tem que tirar o seu metal do reator, limpá-lo e colocá-lo de volta. Isso envolve o fechamento da planta química gigante ou o aquecimento do metal a temperaturas perigosamente altas."

Contraintuitivas à sua capacidade de quebrar rapidamente os hidrogênios do metano, a platina e o níquel são limitados na produção de hidrocarbonetos de cadeia mais longa devido à coqueificação. Recentemente, os cientistas têm procurado ligas feitas de um metal ativo, como platina ou níquel e um metal inerte, como cobre ou prata. Mas mesmo com esses tipos de ligas, a coqueificação continua a representar um problema.

A equipe de Sykes desenvolveu uma nova SAA, ou liga de um único átomo, com apenas 1 átomo de platina para cada 100 átomos de cobre, para combater a coqueificação. Os átomos de platina foram isolados na camada superficial do metal para garantir que não reagissem excessivamente. Os experimentos mostraram que os átomos de platina simples no cobre ainda reagem para quebrar ligações C – H, mas não na medida em que o coque é formado.

Darby então simulou platina pura, cobre puro, e o SAA para determinar qual das três superfícies um átomo de carbono se liga mais fortemente. Ele repetiu esse processo com carbono ligado a um, dois, três e quatro hidrogênios, bem como átomos de hidrogênio por conta própria. Ele descobriu que essas moléculas se ligam ao cobre com uma maior afinidade do que à platina, e muito mais energia é necessária para que o cobre rompa as ligações C – H. Os resultados são fundamentais para explicar por que o cobre é um catalisador ineficaz.

"A platina pode quebrar ligações C-H milhões de vezes mais rápido que o cobre, e a liga está em algum lugar entre os dois", disse Darby. "Antes desta SAA, as pessoas não conseguiam juntar duas ou três moléculas de metano a baixas temperaturas sem desativar o metal. Mostramos que podemos obter até três."

A descoberta é importante porque nunca houve uma liga que pudesse efetivamente quebrar ligações C – H e também permanecesse resistente a coque.

"Nosso SAA demonstra que uma solução para este problema poderia ser possível", disse Darby. "Espero que isso ajude a comunidade química a experimentar mais combinações SAA e ver se podemos realmente encontrar a liga que será perfeita para isso."

Partículas do tamanho de átomos

As simulações foram realizadas em recursos OLCF usando o pacote de simulação ab initio de Viena (VASP), um código projetado para modelagem de materiais em escala atômica. O VASP é o mais popular de seu tipo e é perfeitamente adaptado para uso em computadores paralelos de alto desempenho, como os do OLCF.

"Nós modelamos as coisas em um nível atômico", disse Darby. "Modelamos 100 partículas do tamanho de um átomo: o catalisador e as moléculas de metano. Calculamos então quanta energia é necessária para converter o metano em outra coisa".

Ao comparar esses cálculos entre si, Darby conseguiu explicar as descobertas experimentais. Ao reproduzir tudo no experimento, a equipe pôde ver até o nível do átomo e simular o número de vezes que os laços específicos irromperiam - algo impossível de contar em um experimento.

A equipe espera que um dia uma liga consiga conectar até oito metanos (o octano composto), que podem ser usados ​​para abastecer carros. Os resultados do projeto e o trabalho em andamento do grupo Stamatakis permitirão que os experimentalistas se concentrem nos sistemas mais importantes de ligas, em vez de testar sistemas aleatórios.

"Com o experimento, é principalmente tentativa e erro", disse Darby. "Simulações nos dão um roteiro."

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