MADRID, 7 Ene. (EUROPA PRESS) -
Un nuevo catalizador basado en cobre puede convertir selectivamente CO2 en acetaldehído, sustancia química vital para fabricar desde perfumes hasta plásticos, con una eficiencia del 92%.
Hoy en día, la producción de acetaldehído depende en gran medida del etileno, un producto petroquímico. Pero las crecientes preocupaciones ambientales están empujando a la industria química a reducir su dependencia de los combustibles fósiles, por lo que los científicos han estado buscando formas más ecológicas de producir acetaldehído.
Actualmente, el acetaldehído se produce mediante el llamado proceso Wacker, un método de síntesis química que utiliza etileno del petróleo y el gas natural con otros productos químicos como ácidos fuertes, por ejemplo, ácido clorhídrico. El proceso Wacker no solo tiene una gran huella de carbono, sino que también consume muchos recursos y es insostenible a largo plazo.
Una solución prometedora para este problema es la reducción electroquímica del dióxido de carbono (CO2) en productos útiles. Como el CO2 es un producto de desecho que contribuye al calentamiento global, este enfoque aborda dos problemas ambientales a la vez: reduce las emisiones de CO2 y crea productos químicos valiosos.
Los catalizadores basados en cobre han demostrado tener potencial para esta transformación, pero hasta ahora han tenido problemas con la baja selectividad, lo que significa que producen una mezcla de productos en lugar del acetaldehído deseado.
Ahora, científicos de un consorcio público-privado internacional, dirigido por Cedric David Koolen en el grupo de Andreas Züttel en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), han desarrollado un nuevo catalizador basado en cobre que puede convertir selectivamente el CO2 en acetaldehído con una impresionante eficiencia del 92%.
El avance, publicado en Nature Synthesis, proporciona una forma más ecológica y sostenible de producir acetaldehído y podría reemplazar al proceso Wacker. Además, el catalizador es escalable y rentable, lo que abre la puerta a aplicaciones industriales.
"El proceso Wacker no ha cambiado en los últimos 60 años. Todavía se basa en la misma química básica. Era el momento oportuno para un avance ecológico", dice Koolen.
PROCESO
Los investigadores comenzaron sintetizando minúsculos grupos de partículas de cobre, cada uno de aproximadamente 1,6 nanómetros de tamaño, utilizando un método llamado ablación por chispa. Esta técnica implica vaporizar electrodos de cobre en un entorno de gas inerte y permitió a los científicos controlar con precisión los tamaños de las partículas. Luego, los grupos de cobre se inmovilizaron sobre soportes de carbono para crear un catalizador estable y reutilizable.
En el laboratorio, el equipo probó el rendimiento del catalizador haciéndolo pasar por una serie de reacciones electroquímicas con CO2 en un entorno controlado. Utilizando un sincrotrón (una instalación a gran escala que genera una fuente de luz muy brillante), el equipo se aseguró de que los grupos de cobre convirtieran activamente el CO2 en acetaldehído mediante una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X.
Los resultados fueron notables. Los grupos de cobre lograron una selectividad del 92 % para el acetaldehído a un voltaje relativamente bajo, lo que es esencial para la eficiencia energética. En una prueba de estrés de 30 horas, el catalizador demostró una alta estabilidad, manteniendo su rendimiento a lo largo de múltiples ciclos. Los investigadores también descubrieron que las partículas de cobre conservaban su naturaleza metálica durante toda la reacción, lo que contribuye a la longevidad del catalizador.
"Lo que realmente nos sorprendió fue que el cobre siguió siendo metálico, incluso después de eliminar el potencial y la exposición al aire", dice el coautor principal Wen Luo. "El cobre normalmente se oxida como loco, especialmente el cobre tan pequeño. Pero en nuestro caso, se formó una capa de óxido alrededor del grupo, protegiendo el núcleo de una mayor oxidación. Esto explica la reciclabilidad del material. Una química fascinante".
¿Por qué funcionó tan bien el nuevo catalizador? Las simulaciones computacionales mostraron que los grupos de cobre presentan una configuración específica de átomos que promueve que las moléculas de CO2 se unan y se transformen de una manera que favorece la producción de acetaldehído sobre otros productos posibles, como el etanol o el metano.
"Lo bueno de nuestro proceso es el hecho de que se puede aplicar a cualquier otro sistema catalizador", dice el coautor principal Jack K. Pedersen, de la Universidad de Copenhague. "Con nuestro marco computacional, podemos seleccionar rápidamente grupos de compuestos en busca de características prometedoras. Si se trata de la reducción de CO2 o de la electrólisis del agua con ablación por chispa, podemos producir el nuevo material con facilidad y probarlo directamente en el laboratorio. Esto es mucho más rápido que el típico ciclo de prueba-aprendizaje-repetición".
El nuevo catalizador de cobre es un paso significativo hacia una química industrial más ecológica. Si se amplía, podría reemplazar al proceso Wacker, reduciendo la necesidad de productos petroquímicos y disminuyendo las emisiones de CO2. Dado que el acetaldehído es un componente básico de muchos otros productos químicos, esta investigación tiene el potencial de transformar múltiples industrias, desde la farmacéutica hasta la agricultura.