Un team di ricerca collaborativo ha sviluppato un nuovo catalizzatore per la produzione di etilene attraverso l’accoppiamento ossidativo del metano, raggiungendo un rendimento superiore al 30%. Questo rappresenta un passo significativo verso un metodo più ecologico ed economicamente sostenibile per produrre questo petrochimico fondamentale.
Un team di ricercatori provenienti da diverse università, tra cui l’Università di Lehigh, ha annunciato una svolta nella catalisi che potrebbe supportare l’accoppiamento ossidativo del metano (OCM) come metodo economicamente sostenibile e più sostenibile per produrre la materia prima chimica essenziale.
L’etilene è talvolta definito il prodotto chimico più importante nell’industria petrolchimica perché serve come materia prima per un’enorme gamma di prodotti di uso quotidiano. È utilizzato nella produzione di antigelo, vinile, gomma sintetica, isolamento in schiuma e plastiche di ogni tipo.
Attualmente, l’etilene è prodotto attraverso un processo energetico e intensivo di risorse chiamato cracking a vapore, dove estremi di temperatura e pressione producono etilene dal petrolio greggio in presenza di vapore e, nel processo, emettono tonnellate di anidride carbonica nell’atmosfera. Tuttavia, l’etilene può essere prodotto anche attraverso un processo chiamato accoppiamento ossidativo del metano (OCM). Questo ha il potenziale per essere un’alternativa più verde al cracking a vapore, ma fino a poco tempo fa, la quantità di etilene che produceva non rendeva il processo economicamente sostenibile.
“Finora, la resa catalitica è stata inferiore al 30 percento per un singolo passaggio, il che significa semplicemente far passare il metano e l’ossigeno attraverso il catalizzatore e ottenere etilene dall’altro lato”, afferma Bar Mosevitzky Lis, un ricercatore post-dottorato nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso il P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science dell’Università di Lehigh. “Gli studi che hanno simulato l’intero processo industriale utilizzando l’OCM hanno mostrato che la tecnologia non diventa redditizia fino a quando la resa di un singolo passaggio non raggiunge tra il 30 e il 35 percento.”
La collaborazione è stata guidata da Fanxing Li, professore di ingegneria Alcoa presso la NCSU. Il suo team ha sviluppato una classe di ossidi misti di terre rare rivestiti di Li2CO3 come catalizzatori per l’accoppiamento ossidativo del metano utilizzando uno schema di looping chimico. Il risultato è stata una resa di un singolo passaggio fino al 30,6 percento.
“L’idea con il looping chimico è che invece di fare un co-alimentazione di metano e ossigeno nella camera con il catalizzatore, lo fai in sequenza”, dice Mosevitzky Lis, che è anche uno degli autori dello studio. “Nel tempo, si perde ossigeno dal catalizzatore e diventa inefficace. Con il looping chimico, si inizia con il metano, poi si passa all’ossigeno, poi di nuovo al metano, e l’ossigeno serve a continuamente ri-ossidare il catalizzatore, rifornendo così la sua capacità di fornire ossigeno per la reazione.”
Mosevitzky Lis e il suo team presso Lehigh, guidato da Israel Wachs, professore di ingegneria chimica e biomolecolare G. Whitney Snyder e direttore del laboratorio di ricerca sulla spettroscopia molecolare operativa e catalisi, hanno caratterizzato il catalizzatore.
“La nostra specializzazione è con la caratterizzazione superficiale in situ”, afferma Mosevitzky Lis, “nel senso che caratterizziamo la superficie dei catalizzatori mentre la reazione è in corso. Applichiamo una vasta gamma di tecniche fisiche e chimiche per comprendere le trasformazioni che i catalizzatori subiscono mentre la reazione catalitica è in corso sulla loro superficie e come queste trasformazioni si relazionano a ciò che li rende così buoni catalizzatori.”
Il prossimo passo è determinare l’idoneità del catalizzatore per la produzione su scala industriale cercando di spingere ulteriormente la resa. Per ora, tuttavia, aver finalmente migliorato un metodo che è rimasto una promessa non mantenuta dagli anni ’80 segna una pietra miliare.
“La complessità del sistema e le dinamiche che si svolgono, è quasi come l’arte”, dice Mosevitzky Lis. “Sia il nucleo che il guscio del catalizzatore subiscono processi molto estremi, generando ogni sorta di cose interessanti sulla superficie. È bellissimo.”
