Aunque es menos abundante que el dióxido de carbono, el gas metano contribuye desproporcionadamente al calentamiento global porque atrapa más calor en la atmósfera que el dióxido de carbono debido a su estructura molecular.
Los ingenieros químicos del MIT han diseñado un nuevo catalizador que puede convertir el metano en polímeros útiles, lo que podría ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
“Qué hacer con el metano ha sido un problema de larga data”, dice Michael Strano, profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs en el MIT y autor principal del estudio. “Es una fuente de carbono y queremos mantenerlo fuera del medio ambiente pero también convertirlo en algo útil”.
El nuevo catalizador funciona a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo que podría hacer que su implementación en sitios de producción de metano, como plantas de energía y establos de ganado, sea más fácil y económico.
Daniel Lindbergh PhD ’24 y el postdoctorado del MIT Jimin Kim son los autores principales del estudio, que aparece en Catálisis de la naturaleza. El ex postdoctorado Yu Ming Tu y el postdoctorado Cody Rutt también son coautores del artículo.
Capturando metano
El metano es producido por bacterias conocidas como metanógenos, que a menudo están altamente concentradas en vertederos, pantanos y otros sitios de biomasa en descomposición. La agricultura es una fuente importante de metano y el gas metano también se produce como subproducto del transporte, almacenamiento y combustión del gas natural. En total, se cree que esto es responsable de alrededor del 15% del aumento de la temperatura global.
A nivel molecular, el metano está formado por un único átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno. En principio, esta molécula debería ser un buen componente básico para fabricar productos útiles como los polímeros. Sin embargo, convertir metano en otros compuestos ha resultado difícil porque normalmente requiere altas temperaturas y altas presiones para reaccionar con otras moléculas.
Para lograr la conversión de metano sin este aporte de energía, el equipo del MIT diseñó un catalizador híbrido con dos componentes: una zeolita y una enzima natural. Las zeolitas son minerales arcillosos abundantes y baratos, y trabajos anteriores han demostrado que pueden usarse para convertir metano en dióxido de carbono.
En este estudio, los investigadores utilizaron una zeolita llamada silicato de aluminio modificado con hierro, que se combinó con una enzima llamada alcohol oxidasa. Las bacterias, los hongos y las plantas utilizan esta enzima para oxidar los alcoholes.
Este catalizador híbrido realiza una reacción de dos pasos en la que la zeolita convierte metano en metanol y luego la enzima convierte metanol en formaldehído. Esta reacción también produce peróxido de hidrógeno, que se devuelve a la zeolita para proporcionar una fuente de oxígeno para la conversión de metano en metanol.
Esta serie de reacciones puede tener lugar a temperatura ambiente y no requiere alta presión. Las partículas de catalizador están suspendidas en agua, que puede absorber metano del aire circundante. Para aplicaciones futuras, los investigadores creen que se podría pintar sobre superficies.
“Otros sistemas operan a temperaturas y presiones más altas y utilizan peróxido de hidrógeno, una sustancia química costosa, para impulsar la oxidación del metano. Pero nuestra enzima produce peróxido de hidrógeno a partir del oxígeno, por lo que “creo que nuestro sistema puede ser escalable de manera muy económica”, dice Kim. .
Construcción de polímero
Una vez producido el formaldehído, los investigadores demostraron que podían utilizar la molécula para formar un polímero añadiendo urea, una molécula que contiene nitrógeno y que se encuentra en la orina. Este polímero resinoso, llamado urea-formaldehído, se utiliza ahora en tableros de partículas, textiles y otros productos.
Los investigadores prevén que el catalizador podría añadirse a las tuberías utilizadas para transportar gas natural. Dentro de estas tuberías, el catalizador puede producir un polímero que puede actuar como sellador para reparar grietas en las tuberías, que son una fuente común de fugas de metano. El catalizador también se puede utilizar como una película para recubrir superficies expuestas al gas metano, produciendo polímeros que se pueden depositar para su uso en la fabricación, afirman los investigadores.
El laboratorio de Strano ahora está trabajando en catalizadores que puedan usarse para extraer dióxido de carbono de la atmósfera y combinarlo con nitrato para producir urea. Esta urea puede luego combinarse con el formaldehído producido por el catalizador enzimático de zeolita para producir urea-formaldehído.
