Pesquisadores da Universidade Estadual de Washington descobriram oscilações autossustentadas no processo de síntese Fischer-Tropsch, um método industrial chave para converter carvão, gás natural ou biomassa em combustíveis líquidos. Esta descoberta revela um comportamento oscilatório na reação, em vez de um estado estacionário, levando potencialmente a uma produção de combustível mais eficiente e controlável. Esta descoberta fornece uma nova abordagem baseada em conhecimento para o projeto de catalisadores e otimização de processos na indústria química.
Os pesquisadores da Universidade Estadual de Washington fizeram um grande avanço na compreensão do processo de síntese Fischer-Tropsch, um método industrial chave para converter carvão, gás natural ou biomassa em combustíveis líquidos. Ao contrário de muitas reações catalíticas que permanecem num estado estável, eles descobriram que o processo Fisher-Tropsch exibe oscilações autossustentadas, alternando entre estados de alta e baixa atividade.
A descoberta, publicada na revista Science, abre a possibilidade de otimizar as taxas de reação e aumentar o rendimento dos produtos desejados, permitindo potencialmente uma produção de combustível mais eficiente no futuro.
O autor correspondente Norbert Kruse, professor ilustre de Woland na Escola de Engenharia Química e Bioengenharia Gene e Linda Woland da Western Sydney University, disse:"Normalmente, a indústria química não quer ter oscilações de taxa com grandes mudanças de temperatura devido a questões de segurança. No caso atual, as oscilações são controláveis e mecanicamente bem compreendidas. Ter essa base para compreensão experimental e teórica torna a abordagem de desenvolvimento completamente diferente - isso nos permite realmente ter uma abordagem baseada no conhecimento, que irá um longo caminho."
Repensando o design do catalisador
Embora o processo de síntese Fischer-Tropsch seja comumente usado na produção de combustíveis e produtos químicos, os pesquisadores sabem pouco sobre como funciona esse complexo processo de conversão catalítica. O processo utiliza catalisadores para converter duas moléculas simples, hidrogênio e monóxido de carbono, em longas cadeias moleculares, os hidrocarbonetos amplamente utilizados na vida cotidiana.
Durante mais de um século, a I&D nas indústrias química e de combustíveis baseou-se numa abordagem de tentativa e erro, mas agora os investigadores serão capazes de conceber catalisadores de forma mais intencional e sintonizar reações para induzir estados oscilatórios que melhorem o desempenho catalítico.
Os pesquisadores descobriram o fenômeno de oscilação depois que o estudante Zhang Rui apresentou um problema a Kruse: ele não conseguiu estabilizar a temperatura da reação. Quando estudaram juntos, descobriram oscilações surpreendentes.
Os pesquisadores não apenas descobriram que a reação produzia um estado de reação oscilatório, mas também por quê. Isto é, quando o calor gerado pela reação provoca o aumento da temperatura, os gases reagentes perdem contato com a superfície do catalisador e a taxa de reação diminui, diminuindo assim a temperatura. Uma vez que a temperatura é suficientemente baixa, a concentração de gases reativos na superfície do catalisador aumenta e a velocidade da reação aumenta. Portanto, a temperatura aumenta e o ciclo termina.
Teoria e experimento convergem
No estudo, os pesquisadores demonstraram a reação em laboratório usando um catalisador de cobalto comumente usado, ajustado pela adição de óxido de cério, e então modelaram como ela funciona. Um dos coautores, Pierre Gaspard, da Université Libre de Bruxelles, desenvolveu um protocolo de reação e, teoricamente, impôs temperaturas variáveis periodicamente para replicar a taxa experimental e a seletividade da reação.
O autor correspondente, Yong Wang, professor regente do Wallander College da Western Sydney University, disse: "É realmente maravilhoso termos conseguido construir um modelo teoricamente. Os dados teóricos e os dados experimentais são quase consistentes."
Kruse estuda reações oscilatórias há mais de 30 anos. A descoberta do comportamento oscilatório da reação de Fisher-Tropsch foi surpreendente porque a reação é mecanicamente extremamente complexa.
“Às vezes encontramos muitos contratempos em nossa pesquisa porque as coisas não acontecem como imaginamos, mas também há momentos que não podemos descrever”, disse Kruse. "É uma grande sensação de realização, mas 'sensação de realização' é muito fraca para descrever a emoção de fazer este grande avanço."