Un grupo internacional de científicos ha revelado el secreto de un catalizador a base de oro que es responsable de un nuevo método ecológico para producir el monómero de cloruro de vinilo VCM que se utiliza para fabricar cloruro de polivinilo PVC, el tercero del mundo-el plástico más utilizado.
Utilizando técnicas de espectroscopía basadas en sincrotrón y microscopía electrónica avanzada, los investigadores han determinado que los iones de oro aislados convierten de manera más efectiva el acetileno, un gas derivado del carbón, en las moléculas VCM que posteriormente pueden unirse para formar PVC.
Su descubrimiento se produce en medio de los esfuerzos para reemplazar el método convencional de conversión de acetileno, que utiliza un catalizador volátil y potencialmente tóxico que contiene mercurio, con un método más estable y no contaminante que emplea un catalizador de oro con carbono.
Los investigadores, que son del Reino Unido y los Estados Unidos, informaron sus hallazgos en ciencia , en un artículo titulado "Identificación de catálisis de oro de sitio único en hidroclorinación de acetileno".
El autor principal del artículo es Grazia Malta del Instituto de Catálisis de Cardiff de la Universidad de Cardiff en el Reino Unido, supervisado por Graham J. Hutchings, director del Instituto. Los participantes de la Universidad de Lehigh en la investigación fueron Christopher J. Kiely, profesor de ciencia de materialese ingeniería química y Li Lu, candidato a doctorado en ciencia de materiales. Kiely también es codirector del Instituto de Catálisis de Cardiff.
El grupo examinó los catalizadores antes y después del uso en el microscopio electrónico de transmisión por barrido JEOL JEM-ARM200CF de Lehigh con corrección de aberración, que es uno de los instrumentos más potentes de su tipo y permite la obtención de imágenes y el análisis químico de materiales en el sistema atómiconivel.
El grupo también realizó experimentos de estructura fina de absorción de rayos X extendida EXAFS y estructura de borde cercano de absorción de rayos X XANES utilizando la Instalación de Sincrotrón Diamante en el Reino Unido para estudiar el catalizador en condiciones de reacción de trabajo.
"Estos experimentos nos ayudaron a determinar que el oro dispersado atómicamente, donde los átomos están separados en el soporte de carbono y no se tocan, es la forma ideal de especies catalíticas para esta reacción", dice Kiely.
"También nos mostraron que necesita que los átomos de oro estén ionizados, es decir, que faltan algunos de sus electrones, para que se produzca la conversión".
Dirigido por C. Richard A. Catlow del Cardiff Catalysis Institute y el University College London, el grupo también modeló teóricamente la reacción utilizando iones de oro aislados y confirmó los resultados experimentales.
"Los científicos han sabido que puede usar oro dispersado atómicamente en reacciones catalizadas homogéneas realizadas en solución", dice Kiely. "Aquí, hemos logrado anclar el oro dispersado atómicamente sobre un soporte sólido y lograr un efecto similar".
Kiely y Hutchings, que han colaborado durante varias décadas, informaron en un artículo en la revista Nature Communications el año pasado que para otra reacción, a saber, la oxidación a baja temperatura de monóxido de carbono a dióxido de carbono, una entidad de oro diferente: racimos ultra pequeñosque consistía en unos pocos átomos de oro, eran las especies más activas.
Los resultados de estos dos proyectos ayudarán a Kiely y Hutchings a diseñar y optimizar sistemas catalíticos a base de oro para su uso en otras reacciones importantes, como la reacción de cambio de agua-gas, que genera hidrógeno.
El PVC se ha convertido en una parte indispensable de la vida moderna. Sus aplicaciones incluyen tuberías de construcción, tarjetas de crédito, marcos de ventanas y puertas, equipos de plomería y aislamiento de cables eléctricos.
Además de la hidroclorinación de acetileno, el precursor de la molécula VCM para el PVC puede estar hecho de etileno, un subproducto de la refinación del petróleo que también puede aislarse del gas natural. Pero la hidroclorinación de acetileno sigue siendo el camino predominante hacia la producción de PVC en algunos países quetener abundantes reservas de carbón.
Para convertir el acetileno derivado del carbón en el precursor de VCM, dice Kiely, los ingenieros químicos del último medio siglo lo han reaccionado con ácido clorhídrico HCl en presencia de un catalizador de cloruro mercúrico. Pero el catalizador es volátil a las temperaturas de reacción, permitiendo que el mercurio tóxico se evapore, escape al medio ambiente y contamine las tierras de cultivo y los cuerpos de agua.
A principios de la década de 1980, Hutchings demostró que se podía usar un catalizador de oro más benigno con soporte de carbono para convertir acetileno en VCM. Su descubrimiento atrajo cierta atención en ese momento, pero no fue explotado comercialmente ya que el catalizador requería cantidades relativamente grandes deoro caro y no era muy estable.
En 2007, Johnson Matthey, una compañía global de productos químicos especializados con sede en el Reino Unido, se interesó en los resultados de Hutchings y comenzó a trabajar para hacer un catalizador estable de oro sobre carbono utilizando menos oro. La compañía desarrolló un catalizador llamado Pricat MFC,que ahora se ha utilizado comercialmente en una gran planta china de PVC. China, el mayor productor y consumidor mundial de PVC, todavía depende del carbón para producir el producto VCM.
Mientras tanto, la Convención de Minamata sobre Mercurio de 2013, que ha sido firmada por casi 140 naciones, prohíbe la construcción de nuevas plantas de VCM que utilicen cloruro de mercurio después de 2017 y requiere que todas las plantas de VCM estén libres de mercurio para 2022.
El trabajo inicial de Hutchings, los esfuerzos de comercialización de Johnson Matthey y el descubrimiento más reciente del funcionamiento a escala atómica del catalizador de oro con soporte de carbono, dice Kiely, dan esperanzas de que se puedan alcanzar los objetivos de la Convención de Minamata.
También representan un logro casi sin precedentes en el campo de la catálisis.
"Los científicos siempre están ajustando y optimizando las formulaciones de catalizador", dice Kiely. "Pero, esta es la primera vez en 50 años que puedo recordar dónde hemos reemplazado un catalizador estándar de la industria utilizado en una reacción importante con un catalizador completamente diferentesistema."
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Materiales proporcionados por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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