Desenvolvimento de catalisadores para conversão direta de metano em metanol: uma investigação ab initio utilizando a da Teoria Funcional da Densidade

Resumo

O aumento demasiado do consumo de petróleo e derivados com a demanda populacional, pressiona a sociedade a buscar, principalmente, fontes energéticas alternativas e que sejam de preferência "verdes" e renováveis. Contudo, essa premissa ainda não é uma realidade próxima, o que deixa a sociedade com o desafio de aproveitar com eficiência e portanto, com perdas mínimas, fontes não-renováveis já conhecidas, como por exemplo, o gás natural. O gás natural é composto em quase sua totalidade por metano e apesar da abundância das reservas de gás natural, a utilização direta do metano gasoso é limitada, já que depende de tecnologias especiais para o seu transporte assim como para sua liquefação, ambas economicamente inviáveis. A transformação de metano em outras substâncias de valor agregado torna-se necessária, sendo o metanol o insumo mais viável e desejável para tal finalidade. Contudo, a obtenção direta de metanol a partir de metano com alta seletividade e rendimento ainda é um dos maiores desafios da catálise. Atualmente, metanol é obtido indiretamente a partir do gás natural em um processo altamente energético e constituído de duas etapas - via syngas. A primeira etapa ocorre com a combustão total do metano e na etapa conseguinte, metanol é produzido por síntese de Fisher-Tropsch, no qual ambas etapas são catalisadas por metais de transição (Ni, Zn-CuO em Al2 O3, respectivamente). A via syngas, de obtenção indireta de metanol, ainda não é totalmente elucidada, muitas questões permanecem em aberto para serem solucionadas e quese esclarecidas podem melhorar ambas seletividade e rendimento deste processo. Contudo, o desenvolvimento de novos processos para obter metanol diretamente de metano (DMTM) é necessário em ambos pontos de vista, economicamente e ecologicamente, e tem chamado a atenção não somente da comunidade científica, mas também do setor industrial, que buscam alternativas mais baratas, e portanto, processos de baixa demanda energética, mas que proporcionem maiores rendimento e seletividade do que a via syngas. Com este intuito, uma gama de catalisadores de metais de transição têm sido alvo de estudos de modo a mimetizar a atividade catalítica da enzima monooxigenase, que naturalmente converte metano diretamente em metanol em condições brandas. Contudo, assim como na via syngas, há uma grande defasagem de estudos específicos, sistemáticos e de qualidade, para elucidar o processo DMTM com a finalidade de ser estabelecido qual a melhor classe de canalizadores metálicos e quais fatores podem modular ambos parâmetros rendimento e seletividade e ainda, como a temperatura afeta esses processos. Neste contexto, o presente projeto propõe-se a elucidar e investigar, através de uma abordagem computacional e utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT), uma gama de catalisadores de metais de transição como, por exemplo, nanoclusters, clusters, complexos de metais de transição, em ambos processos syngas e DMTM para a obtenção de metanol a partir de metano. Para tal fim, serão realizadas análises de configuração para adsorvatos, estruturais, energéticas e eletrônicas, assim como também será investigado o efeito da temperatura nesses processos. Ao decorrer do projeto pretendemos contribuir significativamente com a comunidade científica através de publicações de qualidade e exposição dos resultados visando a elucidação das questões pontuais que hoje encontram-se em aberto e que tornam obtenção de metanol com alto rendimento e seletividade, em ambos os processos, um dos maiores desafios da catálise. (AU)