Obtaining C₂ and C₃ Products from Methane Using Pd/C as Anode in a Solid Fuel Cell‐type Electrolyte Reactor

Abstract

Methane was converted into C2 and C3 products under mild conditions using a single stage solid electrolyte reactor, using a proton exchange membrane fuel cell as a SER-FC and Pd/C as an electrocatalyst prepared by the reduction method of sodium borohydride. This electrocatalyst has a cubic pattern of palladium centered on the face and an average size of nanoparticles close to 6.4 nm, according to the literature. Differential mass spectrometry reveals the chemical profile of species obtained from the oxidation of methane with ionic currents (Ii) at m/z = 16, 28, 30, 32, 44, 46 and 60. In many cases, Ii can be assigned to more than one species; therefore, complementary ATR-FTIR experiments were performed. The ATR-FTIR spectra confirmed the presence of C2 and C3 compounds such as ethane, ethanol, acetaldehyde, acetic acid and propane. Considering the low amount of water in the reaction medium, these results may be associated with the use of Pd/C electrocatalysts responsible for the activation of the water molecule. The availability of natural gas currently rivals with oil; however, this hydrocarbon is not as versatile as crude oil. [1] The main component of natural gas is methane, the most stable hydrocarbon, with the very high dissociation energy of CÀ H bond (435 kJ mol À 1). [2] Its tetrahedral structure is difficult to polarize; therefore, it makes this molecule almost inert to mild conditions. [3] Turning this gas into higher value-added products is a great goal. Current approaches to utilization of methane involve mainly high-temperature processes to produce syngas (H 2 + CO), which further can be transformed into methanol or fuels. [2] The ethane is a vital building block in the chemical industry with an expectedly of increasing demand in obtaining C2 or longer compounds. [4] The oxidative coupling of methane (OCM) is a direct and exothermic process and not limited by any thermodynamic constraints. [1a]

Partial Methane Oxidation in Fuel Cell-Type Reactors for Co-Generation of Energy and Chemicals

“…In most cases, the conversion process from methane to methanol is not completely selective, and, among different compounds, it is possible to find mainly formate. Other compounds with a higher carbon chain, such as ethane, ethanol, and propane, are also found, but less frequently and under more specific experimental conditions [17,18].…”

Conversão de metano em metanol por intermédio de catalisadores Pdx-My/C (M = Ni e Cu) em reatores de eletrólito polimérico - tipo célula a combustível

“…Atualmente, para as condições de baixa temperatura, os processos de conversão podem ser classificados em eletroquímico 22,24,26,[114][115][116] , fotocatálise 17,56,117 , catálise enzimática 118 e oxidação em fase líquida (empregando peróxido de hidrogênio) 119 . Dentre as diversas pesquisas desenvolvidas frente a esta abordagem, a utilização da via eletroquímica pode ser uma rota alternativa mais econômica e eficiente para os processos de conversão química, uma vez que é possível controlar as reações redox por meio de ajuste do potencial de trabalho e selecionar produtos específicos 120,121 .…”

“…As propriedades catalíticas do paládio podem ser aplicadas para uma séria de reações como as de: hidrogenação, desidrogenação, hidrogenólise, reforma da fase aquosa, reforma a vapor, redução de oxigênio, evolução de hidrogênio, fotocatálise e oxidação parcial de CH4 [134][135][136] . Em relação aos estudos de oxidação parcial do metano, a superfície catalítica do Pd pode ser essencial devido à sua forte interação com hidrogênio que pode subtrai-lo da estrutura do CH4 fornecendo equilíbrio entre as forças de adsorção do reagente e dessorção dos produtos 22,27,116,130 . O Pd também está tendenciosamente associado a formação do seu estado oxidado PdO presente em superfície que pode facilitar a quebra da barreira de ligação do C -H pelos complexos σ fortemente ligados, de acordo com estudos [46][47][48] de interações energéticas e cinéticas do metal em relação ao CH4.…”

“…O Pd também está tendenciosamente associado a formação do seu estado oxidado PdO presente em superfície que pode facilitar a quebra da barreira de ligação do C -H pelos complexos σ fortemente ligados, de acordo com estudos [46][47][48] de interações energéticas e cinéticas do metal em relação ao CH4. No entanto, o metal nobre apresenta comportamento inferior quando comparado a outros metais não nobres frente a reação de ativação da água 22,24,27,115,116,137,138 . Além de ser um insumo importante para os setores de eletrônica, odontologia, joalheria e aplicações industriais que exercem pressão ascendente sobre o seu preço 139 .…”

“…E no caso da fotocatálise, ocorre perda de radiação incidente devido a opacidade, espalhamento/absorção de luz e necessidade de materiais com alto valor de bandgap para quebrar a ligação C-H do metano 21 . Neste contexto, um número significativo de estudos recentes [22][23][24][25][26][27] consideram as vias eletroquímicas de conversão como um meio promissor, principalmente dada a viabilização do uso de CH4 como matéria-prima para produção de moléculas orgânicas complexas como ácido fórmico, formaldeído, etanol, metanol entre outras 28 , com amplas aplicações na cadeia produtiva global impulsionada por um grande interesse ambiental.…”