Detecção de catalisador de metais nobres em rochas usando máquina

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3765 (2023) Citar este artigo

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A captura de carbono e a conversão catalítica em metano são promissoras para a produção de energia neutra em carbono. Catalisadores de metais preciosos são altamente eficientes; no entanto, eles têm várias desvantagens significativas, incluindo alto custo, escassez, impacto ambiental da mineração e intensos requisitos de processamento. Estudos experimentais anteriores e o trabalho analítico atual mostram que cromititos de grau refratário (rochas ricas em cromo com Al2O3 > 20% e Cr2O3 + Al2O3 > 60%) com certas concentrações de metais nobres (ou seja, Ir: 17–45 ppb, Ru: 73–178 ppb) catalisa reações de Sabatier e produz metano abiótico; um processo que não foi investigado em escala industrial. Assim, uma fonte natural (cromititas) contendo metais nobres pode ser usada em vez de concentrar metais nobres para catálise. Algoritmos estocásticos de aprendizado de máquina mostram que entre as várias fases, as ligas de metais nobres são catalisadores naturais de metanação. Essas ligas se formam quando os minerais pré-existentes do grupo da platina (PGM) são quimicamente destruídos. A destruição química do PGM existente resulta em perda de massa formando localmente uma superfície nanoporosa. As fases espinélio ricas em cromo, hospedando as inclusões PGM, são posteriormente um suporte de segundo nível. O trabalho atual é a primeira pesquisa multidisciplinar mostrando que ligas de metais nobres dentro de rochas ricas em cromo são catalisadores Sabatier de suporte duplo. Assim, tais fontes podem ser um material promissor na busca de materiais sustentáveis e de baixo custo para a produção de energia verde.

O Acordo de Paris destaca a importância primordial de estabelecer fontes de combustível sustentáveis. A hidrogenação catalítica do dióxido de carbono é uma fonte promissora de combustível neutro em carbono1. Pesquisas emergentes sobre energia sustentável e proteção ambiental e implementação de políticas verdes de governos e fundações internacionais2,3,4 enfatizam a necessidade de mudar para a produção de energia ambientalmente amigável.

A reação de Sabatier (Eq. 1) é um processo bem conhecido e amplamente utilizado para produzir metano a partir da hidrogenação catalítica do CO2. É uma reação em duas etapas, envolvendo a combinação de uma reação endotérmica de deslocamento inverso de gás água (RWGS) e uma hidrogenação exotérmica de CO (Eqs. 2 e 3, respectivamente), a pressões e temperaturas elevadas variando entre 200 e 500 °C5.

O hidrocarboneto produzido não é exclusivamente metano, mas uma mistura de hidrocarbonetos e outras moléculas orgânicas dependendo da atividade e seletividade do catalisador. Os catalisadores à base de níquel e rutênio produzem quase exclusivamente metano. Catalisadores de metais menos reativos (Pd, Pt, Rh, Mo, Re, Au) produzem simultaneamente CH4, CH3OH e CO via RWGS5. Em estudos anteriores, a temperatura mais baixa relatada para a hidrogenação de CO2 foi à temperatura ambiente (25 °C). Uma nanopartícula de rutênio carregada em um catalisador de TiO2 leva à formação de metano nos primeiros 5 minutos do experimento6.

Curiosamente, a hidrogenação de CO2 em baixa temperatura (< 100 °C) ocorre na natureza, produzindo metano abiótico (doravante metano) via reação de Sabatier. Estudos sugerem que a fonte de metano são rochas ricas em cromo (cromititos)7,8. Minerais com propriedades catalíticas em cromititas são particularmente promissores na produção de catalisadores comercialmente eficientes e sustentáveis. Os catalisadores minerais podem reduzir o custo e o impacto ambiental relacionados à síntese de catalisadores (por exemplo, menos processamento) e à produção de combustível (menor energia para reações em temperaturas mais baixas). Atualmente, há uma compreensão limitada sobre as restrições durante a formação de metano em baixa temperatura. A evidência direta para a cinética da formação de metano na natureza é limitada. Os estudos existentes em experimentos de alta temperatura (> 300 °C) não são representativos da metanação em cromititos. Análises isotópicas de metano em cromititos contendo rutênio sugerem que o metano foi formado abaixo de 150 °C7,8,9. Experimentos em baixa temperatura (< 100 °C) demonstraram que catalisadores de rutênio puro, em quantidades equivalentes à sua ocorrência natural em cromititas, suportam efetivamente a metanação10. Portanto, a hipótese original era que a fase de rutênio mais abundante nas cromititas deveria ser o catalisador. Fases ricas em rutênio ocorrem principalmente em cromititas, incluindo soluções sólidas de laurita (RuS2), laurita-erlichmanita (OsS2) e ligas Ir–Ru–Os–Ni (ligas IPGE-Ni)11,12,13. No entanto, o local exato da geração de metano e o(s) catalisador(es) real(is) é pouco compreendido.

20%, Cr2O3 + Al2O3 > 60% and are refractory. Spearman's correlations between methane and the chemical composition of each sample revealed significant positive correlations of methane with Cr, Fe2O3, MgO, Ru, Ir, Au, Co, MnO, Ni, Pd, Pt, Rh, V, W, Zn, elements variably present in chromitites. All the positively correlated elements are reported in the literature as constituents of Sabatier catalysts14. Among these elements, Ir and Ru show the highest significant correlations with methane (0.932 and 0.910, respectively, Supplementary Table 4). The samples with highest concentrations in both iridium and ruthenium (Ir: 17–45 ppb, Ru: 73–178 ppb) are refractory chromitites./p>

100 ppb), Sulphur is a common poison to the activity of a catalyst, and thus the secondary Ir–Ru–Os–Ni alloys represent a more promising catalyst target. These alloys are formed from the extreme desulphurisation of laurite that is causing mass loss and subsequently creating a nano-porous crystal surface. The Ir–Ru–Os–Ni alloys are the ideal loci of low-temperature CO2 hydrogenation (Fig. 3) due to their large specific area and pure metal form. Continuous flow of H2 gas generates extreme reducing conditions and triggers desulphurisation and formation of these alloys, in a process which may be an analogue of the routine pre-treatment methods used in catalysis to activate the metal catalysts and remove any adsorbed contaminants. The Ir–Ru–Os–Ni alloys are two-tiered supported catalysts: laurite is the integrated, first-level support, while spinel comprises the second-level support. As PGM precipitate from magmatic fluids, the bonding between the mineral catalyst and its support is superior to any synthetic counterpart. The current data cannot verify whether iridium is the catalyst or works as a promoter to ruthenium in the Ir–Ru–Os–Ni alloys (abbreviated as Ir–Ru alloys in the image) inside chromitites. Nonetheless, the overall composition of the catalyst and the support materials (e.g., Ru, Cr, MgO) may have an undetermined synergistic effect in natural systems. (abbreviated as Ir–Ru alloys in the image) inside chromitites./p>