La comprensión de la estructura de un enigmático catalizador
En el pasado, el catalizador para la producción de metanol había eludido todos los intentos de aclarar su estructura superficial. Ahora los investigadores han aprendido más sobre su sitio activo.
El proyecto Carbon-2-Chem tiene como objetivo utilizar los gases de escape de la industria de una manera viable
© RUB, Marquard
El metanol es una de las sustancias químicas básicas más importantes que se utilizan, por ejemplo, para producir plásticos o materiales de construcción. Para que el proceso de producción sea aún más eficiente, sería útil saber más sobre el catalizador de cobre/óxido de zinc/óxido de aluminio utilizado en la producción de metanol. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible analizar la estructura de su superficie en condiciones de reacción. Un equipo de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y del Instituto Max Planck para la Conversión de Energía Química (MPI CEC) ha conseguido ahora conocer la estructura de su emplazamiento activo.
En un primer momento, el equipo demostró que el componente de zinc del sitio activo tiene una carga positiva y que el catalizador tiene hasta dos sitios activos basados en el cobre. "El estado del componente de zinc en el sitio activo ha sido objeto de controversias desde que se introdujo el catalizador en la década de 1960. Basándonos en nuestros hallazgos, ahora podemos derivar numerosas ideas sobre cómo optimizar el catalizador en el futuro", esboza el Profesor Martin Muhler, Jefe del Departamento de Química Industrial de RUB y Max Planck Fellow de MPI CEC. Para el proyecto, colaboró con el investigador de Bochum, Dr. Daniel Laudenschleger, y con el investigador de Mülheim, Dr. Holger Ruland.
Producción sostenible de metanol
El estudio se enmarca en el proyecto Carbon-2-Chem, cuyo objetivo es reducir las emisiones de CO2 utilizando los gases metalúrgicos producidos durante la producción de acero para la fabricación de productos químicos. En combinación con el hidrógeno producido electrolíticamente, los gases metalúrgicos también podrían servir como material de partida para la síntesis sostenible de metanol. Como parte del proyecto Carbon-2-Chem, el equipo de investigación ha examinado recientemente cómo las impurezas de los gases metalúrgicos, como los que se producen en las coquerías o en los altos hornos, afectan al catalizador. Esta investigación finalmente preparó el camino para comprender la estructura del sitio activo.
El sitio activo desactivado para el análisis
Los investigadores habían identificado las moléculas que contienen nitrógeno - amoníaco y aminas - como impurezas que actúan como venenos del catalizador. Desactivaron el catalizador, pero no de forma permanente: si las impurezas desaparecen, el catalizador se recupera por sí mismo. Utilizando un aparato de investigación único desarrollado en la propia empresa, es decir, un aparato de flujo continuo con una unidad de pulso de alta presión integrada, los investigadores pasaron amoníaco y aminas por la superficie del catalizador, desactivando temporalmente el sitio activo con un componente de zinc. A pesar de que se desactivó el componente de zinc, se produjo otra reacción en el catalizador: la conversión de etano en etano. Así pues, los investigadores detectaron un segundo sitio activo que funcionaba en paralelo, que contiene cobre metálico pero no tiene un componente de zinc.
Dado que el amoníaco y las aminas están ligados a iones metálicos con carga positiva en la superficie, era evidente que el zinc, como parte del sitio activo, lleva una carga positiva.
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