CINE TALKS: "Obtenção de hidrocarbonetos C2 por conversão direta de metano em dispositivos eletroquímicos de alta temperatura."

Desenvolvimento de materiais catalíticos para obtenção de hidrocarbonetos C₂ por conversão direta de metano em dispositivos eletroquímicos

A demanda por produtos provenientes de matérias-primas petroquímicas – como plásticos e fertilizantes – está crescendo, e com isso, cresce também a demanda global por petróleo. Muitos desses derivados que utilizamos no nosso dia a dia são produzidos a partir de olefinas, e uma das principais olefinas utilizadas como matéria-prima nesta indústria é o etileno (C₂H₄), que é amplamente empregado na produção de plásticos, solventes, fibras, etc. Atualmente, a principal rota de obtenção do etileno é o craqueamento a vapor da nafta do petróleo bruto, uma tecnologia bem estabelecida e dificilmente desafiada.

Até o momento, a redução das reservas de petróleo e o aumento da conscientização da sociedade sobre o impacto humano no meio ambiente tiveram pouca influência na indústria petroquímica. Porém, para atender à demanda futura por commodities químicas, a busca por rotas que sejam mais sustentáveis ??deve ser contínua. Dentre as matérias-primas alternativas destacam-se o gás natural, biogás, biomassa, resíduos e seus derivados.

O metano (CH₄), principal componente do gás natural e do biogás, tem demonstrado grande potencial como reagente em diversos processos químicos devido ao seu baixo custo e suas reservas abundantes. Uma aplicação interessante é sua conversão em hidrocarbonetos de maior valor agregado, como os hidrocarbonetos C₂ – etano e etileno (C₂H₆ e C₂H₄) – por meio de rotas diretas ou indiretas. Dentre as vias diretas, podemos citar o acoplamento oxidativo do metano (OCM). Os compostos C₂ produzidos neste processo são menos estáveis ??que o metano, e reações paralelas resultam na formação de subprodutos como CO e CO₂. Uma abordagem promissora para otimizar esta reação é a aplicação de processos eletroquímicos. Nesse contexto, o uso de membranas de estado sólido para controlar as espécies reagentes e seus produtos em uma única etapa é um importante avanço na área.

O programa M2P do CINE tem um projeto que desenvolve reatores baseados em células a combustível de óxidos sólidos (SOFC/SOEC) e materiais ativos para camadas catalíticas visando à conversão eletroquímica de metano em hidrocarbonetos C₂ pela reação de OCM. A produção dos materiais ativos é feita por um método escalável de síntese por combustão, uma técnica de alto rendimento que fornece microestruturas porosas favoráveis ??para catalisadores estáveis ??em altas temperaturas. Além de apresentarem desempenho catalítico promissor em reações de OCM, os materiais à base de lantânio-cério possuem propriedades importantes, como compatibilidade química e física com os demais componentes da SOFC/SOEC. A modificação desses materiais por dopagem com cátions e adição de metais está sendo investigada para aumentar a seletividade em produtos C₂. Este projeto é comprometido com o avanço da produção de hidrocarbonetos C₂ de forma mais limpa e sustentável com o objetivo de descarbonizar a indústria petroquímica.

References:

- International Energy Agency. World Energy Outlook, 2020.

- Thyssen, V.V. et al., Direct Conversion of Methane to C₂ Hydrocarbons in Solid-State Membrane Reactors at High Temperatures. Chemical Reviews, v. 122, p. 3966-3995, 2022. DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00447.

- Vilela, V.B. et al., Enhancing the Catalytic Activity of Lanthanum-Ceria Fluorite for Methane Conversion in SOFC. ECS Transactions, v. 103 (1), p. 1917-1925, 2021. DOI: 10.1149/10301.1917ecst.

Dra. Vivian Vazquez Thyssen

Centro de Células a Combustível - IPEN

Obteve seu doutorado em Físico-Química no Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, em 2016. Tem experiência na área de catálise heterogênea, e atua principalmente em reações de reforma, conversão de metano, produção de hidrogênio, gás de síntese e de produtos de alto valor agregado. Atualmente é pesquisadora de pós-doutorado no Centro de Células a Combustível do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, pelo CINE-M2P.