Descarbonizando processos químicos com Thor

A indústria química consome aproximadamente 10% da energia produzida mundialmente e é responsável por mais de 5% das emissões globais de carbono. Quase todos os produtos químicos são sintetizados utilizando energia térmica gerada pela combustão de combustíveis fósseis, levando a uma pegada de carbono significativa deste sector. E se houvesse uma forma de reduzir a pegada de carbono sem exigir quantidades significativas de energia ou custos elevados? É aí que entra o vencedor do Metrohm Young Chemist Award de 2021, Ryan Jansonius.

Prêmio Metrohm Jovem Químico

A Metrohm valoriza o espírito de inovação e acredita no valor das novas pesquisas realizadas por jovens cientistas pioneiros. Na Metrohm USA, a tradição de realizar um concurso anual para pesquisadores em início de carreira já dura quase uma década! Todos os anos, são recebidas entre 50 e 75 inscrições para tentar ganhar um grande prêmio de US$ 10.000.

Um painel de jurados de dentro e de fora da empresa analisa as inscrições e avalia as respostas dos candidatos às perguntas da inscrição. Os finalistas recebem então uma série de perguntas de acompanhamento dos jurados e são solicitados a resumir seu papel no trabalho e seu potencial futuro. É escolhido um vencedor, que apresenta sua pesquisa na PITTCON. Assista abaixo a apresentação de Ryan na PITTCON 2021!

Vencedores anteriores do MYCA  continuaram suas pesquisas e ampliaram seus horizontes usando o prêmio em dinheiro para fazer coisas que de outra forma teriam de repassar.

Saiba mais sobre o Prêmio Metrohm Jovem Químico aqui! Os candidatos não precisam usar a instrumentação Metrohm para serem considerados, e ela não desempenha nenhum papel na seleção do vencedor.

Prêmio Metrohm Jovem Químico

Descarbonizando a indústria química

A pesquisa de doutorado de Ryan na UBC concentra-se em encontrar maneiras de descarbonizar a fabricação de produtos químicos. A produção de combustíveis, plásticos, fertilizantes, produtos farmacêuticos e especialidades químicas consome uma quantidade significativa de energia e é responsável por 5% de todas as emissões de gases com efeito de estufa. Ao desenvolver formas de produzir estes produtos químicos úteis utilizando apenas matérias-primas abundantes e eletricidade renovável, existe uma oportunidade de compensar estas emissões.

Para descarbonizar os processos químicos, Ryan e o seu grupo estão a desenvolver um reator que pode utilizar eletricidade renovável para impulsionar reações químicas que, de outra forma, exigiriam insumos de combustíveis fósseis. O tipo de reação que visam chama-se «hidrogenação» e é utilizada em cerca de 25% de toda a produção de produtos químicos em diversas indústrias. Hidrogenação é um processo químico simples onde átomos de hidrogênio são adicionados a uma matéria-prima química insaturada.

Normalmente, isso requer gás hidrogênio de alta pressão e alta temperatura, o que é extremamente perigoso lidar. A tecnologia convencional requer instalações de hidrogenação de capital intensivo para este fim e não mudou durante quase um século.

O reator, denominado «Thor», produz hidrogênio através da eletrólise da água, que então passa por uma membrana fina e hidrogena uma matéria-prima orgânica. O que torna Thor único é o uso de um membrana de paládio como um cátodo, membrana seletiva de hidrogênio, e catalisador de hidrogenação simultaneamente. Esta arquitetura permite que a eletrólise prossiga em eletrólito aquoso enquanto a hidrogenação é mediada em solvente orgânico. Como resultado, ambas as reações prosseguem de forma eficiente.

Este processo contorna o uso de H derivado de fósseis₂, e os aquecedores a gás natural necessários para reatores de hidrogenação termoquímica convencionais usados industrialmente hoje. O objetivo final é usar o Thor para produzir diesel renovável, produtos farmacêuticos e uma série de especialidades químicas bio-derivadas de uma forma que seja limpador, mais segura, e mais econômico que os métodos convencionais.

A lenda de Thor (Tecnologia)

De onde surgiu o nome «Thor»?

O estudo do sistema paládio-hidrogênio levou o grupo de pesquisa Berlinguette a desenvolver o reator Thor em 2018. A inventora da tecnologia, Rebecca Sherbo (atualmente pós-doutoranda em Harvard), teve essa ideia após estudar o propriedades bizarras de absorção de hidrogênio do paládio. A primeira configuração e prova de conceito foi um tandem hidrogenação oxidação reator. Agora, em vez do método de eletrólise pareada, eles usam a hidrólise da água como fonte de hidrogênio, mas mantiveram o grande nome para lembrá-los da história.

O que é ThorTech? Ryan e sua equipe de pesquisa explicam seu projeto em poucas palavras:

Potencial impacto comercial de uma tecnologia mais verde

Thor resolve os principais desafios com métodos convencionais de hidrogenação usando água como fonte de hidrogênio. Portanto, H pressurizado₂ o gás não é mais necessário, o que é um desafio para manusear e armazenar. A reatividade dos átomos de hidrogênio entregues à matéria-prima orgânica no reator é da ordem de centenas de atmosferas. O hidrogênio proveniente da água pode, portanto, ser usado para hidrogenar moléculas orgânicas sem o uso de reagentes perigosos ou altas temperaturas. Usar a eletricidade como única entrada de energia também permite que o dispositivo seja neutro em carbono se estiver acoplado a uma fonte de eletricidade renovável.

Por que escolher a Metrohm?

Então, por que escolher Metrohm em relação a outros provedores? Perguntei a Ryan sobre suas experiências com nossa linha de potenciostatos por sua pesquisa de doutorado no grupo de laboratório Berlinguette da UBC.

Saiba mais sobre a Metrohm instrumentos eletroquímicos abaixo.

Eletroquímica da Metrohm

Concordamos plenamente! Para obter mais informações sobre potenciostatos em Metrohm Autolab, visite o site.

Autolab Metrohm

Os próximos passos

A equipe do Thor está atualmente trabalhando para desenvolver membranas que usem menos paládio, projetando células de fluxo para aumentar as taxas e a eficiência da reação e selecionando catalisadores que permitam a hidrogenação de uma gama mais ampla de matérias-primas no Thor.

É claro que a pandemia da COVID-19 influenciou as atividades de pesquisa em todo o mundo, e não é diferente para o vencedor do Metrohm Young Chemist Award. Depois de passar quase seis meses fora do laboratório, as medidas de distanciamento social dificultaram a conclusão do doutorado de Ryan. Se uma experiência falhasse, uma semana inteira de trabalho poderia ser perdida devido à necessidade de escalonar a frequência. Por fim, a equipe mudou-se para um espaço maior e desocupado próximo, a fim de continuar seu trabalho.

Como será usado o prêmio em dinheiro do MYCA?

Depois de concluir seu doutorado, Ryan planejou colocar todos os esforços em sua empresa start-up ThorTech com base na pesquisa para a qual contribuiu. No entanto, a transição de pesquisador graduado para cofundador de uma start-up é bastante cara.

Ele quer tirar uma folga para trabalhar na empresa antes que o capital de investimento chegue, e o prêmio em dinheiro será fundamental para ajudá-lo a fazer isso. Além disso, é necessário um pouco de descanso e recarga após terminar o curso!

Ryan defende seu doutorado. na Universidade da Colúmbia Britânica em maio de 2021, e desejamos-lhe boa sorte. Para saber mais sobre a pesquisa de Ryan e sua equipe, a literatura selecionada revisada por pares é fornecida abaixo.

Literatura selecionada para leitura adicional:

• Sherbo, RS; Delima, RS; Chiykowski, VA; e outros. Economia completa de elétrons combinando eletrólise com hidrogenação. Nat. Catalão. 2018, 1, 501–507. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0083-8

Este é o primeiro artigo publicado no reator Thor.
 

• Sherbo, RS; Kurimoto, A.; Marrom, CM; e outros. Hidrogenação eletrocatalítica eficiente com reator de membrana de paládio. JACS 2019, 141, 7815–782. https://doi.org/10.1021/jacs.9b01442

Thor permite ~65% mais reações de hidrogenação energeticamente eficientes do que pode ser alcançado usando métodos normais de hidrogenação eletroquímica.
 

• Delima, RS; Sherbo, RS; Dvorak, DJ; e outros. Arquitetura de reator de membrana de paládio suportada para hidrogenação eletrocatalítica. J. Matéria. Química. A 2019, 7, 26586–26595. https://doi.org/10.1039/c9ta07957b

Este artigo descreve um projeto para paládio membranas que usam 25x menos paládio do que as folhas convencionais de Pd.
 

• Kurimoto, A.; Sherbo, RS; Cao, Y.; e outros. Deuteração eletrolítica de ligações insaturadas sem usar D₂. Nat. Catalão. 2020, 3, 719–726. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0488-z

Thor também pode ser usado para deuterar (hidrogenar, mas com água pesada) moléculas orgânicas. Um vídeo descrevendo a tecnologia pode ser encontrado aqui.
 

• Jansônio, RP; Kurimoto, A.; Marelli, AM; e outros. Hidrogenação sem H₂ Usando uma célula de fluxo de membrana de paládio. Cell Reports Ciências Físicas, 2020, 1, 100105. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100105

Este artigo mostra uma arquitetura de célula de fluxo escalável projetada e validada, permitindo Reações de hidrogenação 15x mais rápidas e 2x mais eficientes.
 

• Huang, A.; Cao, Y.; Delima, RS; e outros. A eletrólise pode ser usada para resolver caminhos de hidrogenação em superfícies de paládio em um reator de membrana. JACS Au 2021, 1, 336-343. https://doi.org/10.1021/jacsau.0c00051

Thor também pode ser usado para resolver mecanismos de reação complexos, depositando nanopartículas na superfície da membrana.