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Analytical Chemistry

El nitruro de boro sorprende a toda la comunidad científica convirtiendo propano en propeno

Este material, barato y sin metales, es una opción prometedora en la conversión catalítica de hidrocarburos

by Mitch Jacoby
December 1, 2016 | APPEARED IN VOLUME 94, ISSUE 48

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Credit: Science
Los experimentos y los estudios de computación sugieren que los átomos de oxígeno, localizados en los extremos del nitruro de boro (nitrógeno en gris y boro en verde), pueden quitarle átomos de hidrógeno a las moléculas de propano para formar propeno (no presente en la figura).

Últimamente el nitruro de boro está llamando la atención por ser un material con una mezcla muy atractiva de propiedades estructurales y físicas. Pero hasta ahora no había destacado como catalizador, mucho menos como para pensar que pudiera tener el potencial de liderar un proceso químico industrial a escala global.

Pero eso acaba de cambiar. Unos científicos acaban de demostrar que el nitruro de boro (cuya fórmula es BN) cataliza selectivamente la transformación de propano en propeno, un compuesto químico tan valorado por la industria que se emplea en todo el mundo en una escala de varios millones de toneladas al año (Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf7885).

El equipo de investigadores de la Universidad de Wisconsin, en Madison (EE.UU.), en el que participan Joseph T. Grant y Ive Hermans, estudiaron principalmente nanotubos y láminas de BN de un átomo de grosor que poseen altas resistencias estructural y térmica, y propiedades electrónicas únicas. Este equipo ha podido mostrar que el BN trabaja sorprendentemente bien como catalizador en la deshidrogenación oxidativa de propano (ODHP, por sus siglas en inglés). Este proceso arranca hidrógeno de las moléculas de propano, produciendo propeno, y oxida el hidrógeno para dar agua.

Normalmente, el propeno se produce mediante el craqueo catalítico, por vapor, de los hidrocarburos de cadena larga presentes en naftas o fracciones ligeras del petróleo. Pero las refinerías de craqueo por vapor han empezado a usar gas de lutita como materia prima en detrimento de naftas. Del gas de lutita se obtiene menos propeno, lo que ha forzado a los fabricantes a buscar alternativas que maximicen la generación de este compuesto.

Existen varios métodos de deshidrogenación que no usan oxidante y que pueden dirigir la reacción de propano a propeno. El problema principal de éstos es que dejan los catalizadores hechos unos zorros, acortando considerablemente su vida útil. Además, tanto la deshidrogenación no oxidativa como el craqueo por vapor son muy endotérmicos, y por lo tanto consumen mucha energía.

Por el contrario, la ODHP es exotérmica y tiene lugar de forma muy eficaz a temperaturas cientos de grados por debajo de los otros métodos. Según estimaciones del sector, una reacción que pueda tener lugar a una temperatura relativamente baja como ésta podría reducir la cantidad de energía necesaria en un 45%. Desgraciadamente, todos los catalizadores que se han estudiado para la ODHP sobreoxidan el propeno hasta CO y CO2, productos indeseados además de termodinámicamente estables.

Y aquí radica la principal diferencia del nitruro de boro con los demás catalizadores. El equipo de Wisconsin ha descubierto que, en presencia de oxígeno, los nanotubos de BN y el BN hexagonal transforman propano en propeno y etileno, éste último una materia prima de alto interés. Bajo las mejores condiciones de reacción, se genera aproximadamente un 80% de propeno y 12% de etileno.

“El descubrimiento de que el nitruro de boro no sólo es un catalizador competente para la ODHP, sino que se ha posicionado instantáneamente a la cabeza de cualquiera de los catalizadores conocidos en la actualidad, es absolutamente increíble”, comenta Henrique Teles, responsable de investigación de BASF. “Jamás se me habría podido ocurrir que este material pudiera ser un catalizador apto para nada. Estoy completamente seguro de que este hecho va a abrir nuevas posibilidades en catálisis”.

Nazeer A. Bhore, director del departamento de investigación de vanguardia de ExxonMobil, también se muestra entusiasmado con el descubrimiento, del que asegura que tiene un gran potencial de reducir costes e impacto ambiental en la producción de propeno.


Traducción al español producida por Greco González Miera de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

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