Hidrocarboneto eletrificado

Nature Communications volume 14, número do artigo: 1954 (2023) Citar este artigo

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A fabricação de produtos químicos está entre os principais contribuintes de gases de efeito estufa. Mais da metade das emissões associadas são atribuíveis à soma de amônia mais oxigenados como metanol, etilenoglicol e ácido tereftálico. Aqui exploramos o impacto dos sistemas eletrolisadores que acoplam a conversão anódica de hidrocarboneto em oxigenado alimentada eletricamente com a reação catódica de evolução de H2 da água. Descobrimos que, uma vez desenvolvida a conversão de hidrocarbonetos anódicos em oxigenados com altas seletividades, as emissões de gases de efeito estufa associadas à fabricação de NH3 e oxigenados de base fóssil podem ser reduzidas em até 88%. Relatamos que a electricidade com baixo teor de carbono não é obrigatória para permitir uma redução líquida nas emissões de gases com efeito de estufa: as emissões globais da indústria química podem ser reduzidas até 39%, mesmo com a electricidade a ter a pegada de carbono por MWh disponível actualmente nos Estados Unidos ou na China. Concluímos com considerações e recomendações para pesquisadores que desejam embarcar nesta direção de pesquisa.

A produção de produtos químicos está entre os principais contribuintes de gases de efeito estufa (GEE), representando 18% das emissões industriais globais1. Destas emissões de produtos químicos, 85% resultam do grande consumo de energia e matérias-primas de base fóssil, enquanto 15% são emissões diretas da seletividade imperfeita dos atuais métodos de produção termoquímica: uma proporção significativa da matéria-prima de hidrocarbonetos é oxidada durante todo o processo. caminho para o dióxido de carbono (CO2) em vez do produto parcialmente oxidado desejado2. Assim, para se tornar totalmente neutro em carbono, não basta simplesmente mudar a fonte de energia dos combustíveis fósseis para a energia renovável: os processos actuais devem ser substituídos por alternativas que não oxidem os hidrocarbonetos até ao CO2.

Considerando todos os produtos químicos, mais de 50% das emissões de GEE são atribuíveis à soma de amônia (NH3) mais oxigenados como metanol, óxido de etileno, etilenoglicol, óxido de propileno, fenol e ácido tereftálico, que contêm oxigênio como parte de sua composição química. estrutura2. A investigação dedicada sobre novos processos para fabricar estes produtos químicos pode, portanto, alcançar um grande impacto na redução das emissões líquidas de GEE.

A produção de oxigenados por meio da oxidação parcial de hidrocarbonetos como etileno, propileno e p-xileno é importante para as indústrias de plásticos e têxteis. Estes processos ocorrem normalmente a altas temperaturas e pressões para ativar os hidrocarbonetos inertes para funcionalização. Devido à natureza exotérmica destas reacções, é também necessário um arrefecimento extensivo para suprimir a fuga térmica e para minimizar a oxidação completa dos hidrocarbonetos em CO2, o que limita a selectividade dos oxigenados alvo; por exemplo, apenas cerca de 80% do etileno será incorporado no produto final, óxido de etileno, sendo o restante convertido em emissões diretas de CO2 (Fig. 1A)3.

Um esquema conceitual do processo termocatalítico de hidrocarbonetos em oxigenatos (processos atuais detalhados podem ser encontrados na Fig. S1–6), bem como a produção de H2 por meio de reforma do metano e reações de mudança de gás água. As setas vermelhas indicam as fontes de emissões diretas na Figura 1C. B Emissões anuais de gases de efeito estufa do início ao fim da indústria química em 20308,49,55,56,57. C Detalhamento das emissões anuais do início ao fim da produção de NH3 e das oxidações de hidrocarbonetos em matéria-prima, emissões diretas e tratamento de resíduos, energia térmica e eletricidade.

Passando agora para as reações de redução, a produção de NH3 é o maior contribuinte individual para as emissões globais de GEE da indústria química2. Isto deve-se ao elevado volume de produção de NH3: mais de metade da produção alimentar mundial depende de fertilizantes à base de amoníaco. A maior parte das emissões de GEE provém diretamente da reforma do metano e das reações de mudança água-gás para produzir a matéria-prima de hidrogênio (H2) (Fig. 1A).