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

• Processo: 18/11152-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de setembro de 2018
• Data de Término da vigência: 08 de agosto de 2021
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Beneficiário: Karla Furtado Andriani
• Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Empresa: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Química de São Carlos (IQSC)
• Vinculado ao auxílio: 17/11631-2 - CINE: desenvolvimento computacional de materiais utilizando simulações atomísticas, meso-escala, multi-física e inteligência artificial para aplicações energéticas, AP.PCPE
• Assunto(s): Química quântica Catalisadores Metano Metanol
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: catalisadores | Conversão | Metano | metanol | Nanoclusters de metais de transicao | Química Quântica | Química Quântica

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)

Publicações científicas

(11)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

FELICIO-SOUSA, PRISCILLA; MUCELINI, JOHNATAN; ZIBORDI-BESSE, LARISSA; ANDRIANI, KARLA F.; SEMINOVSKI, YOHANNA; PRATI, RONALDO C.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Ab initio insights into the structural, energetic, electronic, and stability properties of mixed CenZr15-nO30 nanoclusters. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 21, n. 48, p. 26637-26646, DEC 28 2019. (18/11152-0, 17/11631-2)

SCALON, LUCAS; SZOSTAK, RODRIGO; ARAUJO, FRANCINEIDE L.; ADRIANI, KARLA F.; SILVEIRA, JULIAN F. R., V; OLIVEIRA, WILLIAN X. C.; DA SILVA, JUAREZ L. F.; OLIVEIRA, CAIO C.; NOGUEIRA, ANA FLAVIA. Improving the Stability and Efficiency of Perovskite Solar Cells by a Bidentate Anilinium Salt. JACS AU, v. 2, n. 6, p. 7-pg., 2022-06-27. (18/01669-5, 17/11631-2, 20/04406-5, 20/14451-8, 17/12582-5, 19/08257-7, 18/21401-7, 18/11152-0, 14/25770-6)

OZORIO, MAILDE S.; ANDRIANI, KARLA F.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. A hybrid-DFT investigation of the Ce oxidation state upon adsorption of F, Na, Ni, Pd and Pt on the (CeO2)(6)cluster. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 22, n. 25, p. 14099-14108, JUL 7 2020. (18/21401-7, 18/11152-0, 17/11631-2)

MUCELINI, JOHNATAN; QUILES, MARCOS G.; PRATI, RONALDO C.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Correlation-Based Framework for Extraction of Insights from Quantum Chemistry Databases: Applications for Nanoclusters. JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, v. 61, n. 3, p. 1125-1135, MAR 22 2021. (17/11631-2, 18/21401-7, 18/11152-0)

ANDRIANI, KARLA F.; FELICIO-SOUSA, PRISCILLA; MORAIS, FELIPE ORLANDO; DA SILVA, JUAREZ L. F.. ole of quantum-size effects in the dehydrogenation of CH4 on 3d TMn clusters: DFT calculations combined with data minin. CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY, v. 12, n. 3, DEC 2021. (18/21401-7, 18/11152-0)

ANDRIANI, KARLA FURTADO; MUCELINI, JOHNATAN; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Methane dehydrogenation on 3d 13-atom transition-metal clusters: A density functional theory investigation combined with Spearman rank correlation analysis. FUEL, v. 275, SEP 1 2020. (18/21401-7, 18/11152-0, 17/11631-2)

BRASIL, HENRIQUE; BITTENCOURT, ALBERT F. B.; YOKOO, KATHLEN C. E. S.; MENDES, PAULO C. D.; VERGA, LUCAS G.; ANDRIANI, KARLA F.; LANDERS, RICHARD; DA SILVA, JUAREZ L. F.; VALENCA, GUSTAVO P.. ynthesis modification of hydroxyapatite surface for ethanol conversion: The role of the acidic/basic sites rati. JOURNAL OF CATALYSIS, v. 404, p. 802-813, DEC 2021. (17/11631-2, 18/11152-0, 19/05561-7, 18/21401-7)

PERAC, CARINA S. T.; ANDRIANI, KARLA F.; PIOTROWSKI, MAURICIO J.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Ab Initio Investigation of CH4 Dehydrogenation on a (CeO2)(10) Cluster. Journal of Physical Chemistry C, v. N/A, p. 12-pg., 2022-07-15. (19/05561-7, 17/11631-2, 21/03357-3, 18/21401-7, 18/11152-0)

FELICIO-SOUSA, PRISCILLA; ANDRIANI, KARLA F.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Ab initio investigation of the role of the d-states occupation on the adsorption properties of H₂, CO, CH₄ and CH₃OH on the Fe₁₃, Co₁₃, Ni₁₃ and Cu₁₃ clusters. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 23, n. 14, p. 13-pg., 2021-03-04. (17/11631-2, 18/21401-7, 18/11152-0)

FELICIO-SOUSA, PRISCILLA; ANDRIANI, KARLA F.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Ab initio investigation of the role of the d-states occupation on the adsorption properties of H-2, CO, CH4 and CH3OH on the Fe-13, Co-13, Ni-13 and Cu-13 clusters dagger. Physical Chemistry Chemical Physics, MAR 2021. (17/11631-2, 18/21401-7, 18/11152-0)

MORAIS, FELIPE ORLANDO; ANDRIANI, KARLA F.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Investigation of the Stability Mechanisms of Eight-Atom Binary Metal Clusters Using DFT Calculations and k-means Clustering Algorithm. JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, v. 61, n. 7, p. 3411-3420, JUL 26 2021. (18/21401-7, 17/11631-2, 18/11152-0)