Un catalizador en tándem convierte propano en propileno

Combinando la capacidad catalítica del platino y del óxido de indio en nanopartículas en proporciones precisas, los investigadores han mejorado una reacción que convierte el propano en propileno, un proceso importante en la industria petroquímica (Science 2021, DOI: 10.1126/science.abd4441).

La prueba de concepto de este trabajo muestra que los catalizadores nanoestructurados en tándem –que albergan diferentes reacciones simultáneas en una única nanopartícula– tienen potencial para desempeñar un papel más importante en los procesos industriales, dice Justin M. Notestein, de la Northwestern University, que dirigió el trabajo con su colega Peter C. Stair.

El equipo se centró en la producción de propileno dada su importancia en la industria química: la producción mundial alcanzó los 110 millones de toneladas el año pasado, gran parte de las cuales fueron destinadas a plásticos de polipropileno. Los cambios en las materias primas que abastecen al “craqueo a vapor” han reducido el suministro de propileno, mientras que el método desarrollado para sustituir este suministro, la deshidrogenación del propano (o PDH, por sus siglas en inglés), requiere mucha energía y es caro. Las plantas de PDH convierten el propano en propileno a temperaturas de 600 °C o más, y estas condiciones generan depósitos de hollín que rápidamente desactivan los catalizadores.

Para resolver estos problemas, los investigadores llevan décadas desarrollando la deshidrogenación oxidativa del propano (ODHP, por sus siglas en inglés), en la que el hidrógeno liberado del propano se combina inmediatamente con oxígeno para crear agua. Esto desplaza el equilibrio de la reacción hacia la derecha, requiere temperaturas más bajas y produce una menor cantidad de carbono que inactive el catalizador. “Dada la escala a la que se necesita esta tecnología, esto podría suponer un enorme ahorro de energía y costes”, afirma Ive Hermans, de la Universidad de Wisconsin-Madison, que ha desarrollado catalizadores a base de boro para la ODHP. Sin embargo, los catalizadores de ODHP también tienen la desagradable costumbre de convertir el propileno en CO y CO₂, lo que significa que todavía no pueden mejorar la producción de propileno de la PDH.

Ahí es donde entra en juego el nuevo catalizador tándem. Contiene dos catalizadores, cada uno dirigido a una etapa diferente de la reacción, para aumentar la producción de propileno y reducir la formación de subproductos no deseados.

Para fabricar el catalizador, el equipo de Northwestern dispersó agregados de platino de 2 nm de ancho sobre partículas de alúmina de 100 nm. A continuación, recubrieron cada partícula con una capa de óxido de indio de 2 nm de espesor, mediante un proceso denominado deposición de capas atómicas. Al calentar las partículas, se abrieron poros de 1,4 nm en la cubierta, dejando al descubierto aproximadamente la mitad de los átomos de platino de la superficie inferior.

Durante la reacción ODHP a 450 °C, el platino arranca el hidrógeno del propano para liberar propileno antes de que el óxido de indio tome el relevo y combine átomos de hidrógeno con oxígeno. Este proceso convierte alrededor del 40% del propano disponible, dando lugar a una mezcla de productos formado por un 75% de propileno y un 25% de CO₂, prácticamente sin carbono. En general, dice Notestein, este sistema ofrece el mejor equilibrio entre conversión y selectividad para cualquier catalizador ODHP. “Para ser sincero, no esperaba que este sistema funcionara tan bien como lo ha hecho”, afirma.

La capa externa de óxido de indio estabiliza las nanopartículas de platino, lo que mejora la longevidad del catalizador. Dado que la reacción funciona a temperatura constante en un solo recipiente, Notestein afirma que podría permitir diseños de reactores mucho más sencillos que los sistemas habituales de PDH. “Por lo que he visto, parece muy interesante”, afirma Hermans. Notestein añade que los catalizadores en tándem también podrían proporcionar una ruta que requiera de menor energía para producir etileno.

Sin embargo, el minúsculo sistema de laboratorio utilizado en este estudio está muy lejos de una gigantesca planta de propileno y la deposición de capas atómicas es una forma laboriosa de construir un catalizador. “Un reto importante del proceso de escalado será la producción del catalizador”, afirma Jinlong Gong, de la Universidad de Tianjin, que ha desarrollado catalizadores de PDH. Notestein espera que se puedan desarrollar métodos de síntesis más sencillos para crear nanoestructuras similares.