L’etilene è talvolta definito la sostanza chimica più importante dell’industria petrolchimica perché funge da materia prima per una vasta gamma di prodotti di uso quotidiano. Viene utilizzato per produrre antigelo, vinile, gomma sintetica, isolanti in schiuma e plastica di tutti i tipi.
Attualmente, l’etilene viene prodotto attraverso un processo ad alta intensità energetica e di risorse chiamato steam cracking, in cui temperature e pressioni estreme producono etilene dal petrolio greggio in presenza di vapore e, nel processo, emettono tonnellate di anidride carbonica nell’atmosfera.
Un altro modo in cui l’etilene può essere prodotto, tuttavia, è attraverso un processo chiamato accoppiamento ossidativo del metano (OCM). Ha il potenziale per rappresentare un'alternativa più ecologica allo steam cracking, ma fino a poco tempo fa la quantità di etilene che produce non rendeva il processo economicamente sostenibile.
"Finora, la resa catalitica è stata inferiore al 30% per un singolo passaggio, il che significa semplicemente far passare il metano e l'ossigeno attraverso il catalizzatore e ottenere l'etilene dall'altra parte", afferma Bar Mosevitzky Lis, ricercatore associato presso il Dipartimento di Chimica. e ingegneria biomolecolare presso il PC della Lehigh University. Facoltà Rossin di Ingegneria e Scienze Applicate.
"Gli studi che hanno simulato l'intero processo industriale utilizzando l'OCM hanno dimostrato che la tecnologia non diventa redditizia finché il rendimento del singolo passaggio non raggiunge un valore compreso tra il 30 e il 35%."
OCM è ora un passo avanti verso l’uscita dal laboratorio e l’ingresso nel mondo reale. Per la prima volta, i ricercatori della North Carolina State University (NCSU) e della Lehigh University, in collaborazione con ricercatori del Guangzhou Institute of Energy Conversion e della East China University of Science and Technology, hanno sviluppato un catalizzatore OCM che supera il 30% quando arriva alla produzione di etilene.
L'articolo che descrive la loro svolta è stato recentemente pubblicato su Nature Communications .
La collaborazione è stata guidata da Fanxing Li, professore di ingegneria Alcoa presso NCSU. Il suo team ha sviluppato una classe di core-shell Li2 CO3 ossidi misti di terre rare rivestiti come catalizzatori per l'accoppiamento ossidativo del metano utilizzando uno schema di loop chimico. Il risultato è stato una resa in un solo passaggio fino al 30,6%.
"L'idea del circuito chimico è che invece di effettuare una co-alimentazione di metano e ossigeno nella camera con il catalizzatore, lo si fa in sequenza", afferma Mosevitzky Lis, che è anche uno dei coautori dello studio.
"Col tempo, si perde ossigeno dal catalizzatore e questo diventa inefficace. Con il circuito chimico, si inizia con il metano, quindi si passa all'ossigeno, quindi di nuovo al metano, e l'ossigeno serve a riossidare continuamente il catalizzatore, ricostituendo così la sua capacità di fornire ossigeno per la reazione."
Mosevitzky Lis e il suo team a Lehigh, guidato da Israel Wachs, G. Whitney Snyder, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e direttore dell'Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab, hanno eseguito la caratterizzazione del catalizzatore.
"La nostra specializzazione è la caratterizzazione della superficie in situ", afferma Mosevitzky Lis, "il che significa che caratterizziamo la superficie dei catalizzatori mentre la reazione è in corso. Applichiamo un'ampia gamma di tecniche fisiche e chimiche per comprendere le trasformazioni subite dai catalizzatori durante lo svolgimento della reazione catalitica sulla loro superficie e come queste trasformazioni si collegano a ciò che li rende dei catalizzatori così validi."
Dice che il catalizzatore è composto da un nucleo di ossido misto ricoperto da carbonato di litio e l'interazione tra il nucleo e il guscio durante il ciclo chimico è responsabile dell'elevata resa. I risultati indicano che, per la prima volta, la trasformazione del metano, che si trova nel gas naturale e nel biogas, in etilene potrebbe essere alla portata dell'industria.
"L'OCM ha il potenziale per essere più economico ed efficiente in termini di energia ed emissioni", afferma. "Inoltre, invece di utilizzare petrolio greggio, si utilizza metano che tipicamente proviene dal gas naturale ma che in futuro potrebbe anche essere generato dal biogas e dalla riduzione elettrochimica del biossido di carbonio. E una volta ottenuto l'etilene, è possibile trasformarlo in innumerevoli prodotti utilizzati in tutto il mondo."
Il prossimo passo è determinare l’idoneità del catalizzatore per la produzione su scala industriale cercando di aumentare ulteriormente la resa. Per ora, tuttavia, l'aver finalmente migliorato un metodo che è rimasto una promessa non mantenuta sin dagli anni '80 rappresenta una pietra miliare.
"La complessità del sistema e le dinamiche che si svolgono, è quasi come l'arte", afferma Mosevitzky Lis. "Sia il nucleo che il guscio del catalizzatore subiscono processi molto estremi, generando ogni genere di cose interessanti sulla superficie. È bellissimo."
Ulteriori informazioni: Kun Zhao et al, Ossidi misti di terre rare promossi dal carbonato di litio come strategia generalizzata per l'accoppiamento ossidativo del metano con rese eccezionali, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43682-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla Lehigh University
