Cada reacción química debe superar una barrera energética antes de que pueda ocurrir. Se requiere una entrada inicial de energía a la materia para iniciar la reacción. A veces estos obstáculos son pequeños, como encender una cerilla. Sin embargo, en muchos procesos industriales la energía necesaria es elevada, lo que aumenta los costes.
Para hacer que las reacciones sean más fáciles y eficientes, los químicos dependen de sustancias llamadas catalizadores. Estas “ayudas a la reacción” reducen la energía necesaria. Los catalizadores más eficaces suelen contener metales, incluidos los raros y caros.
UN CATALIZADOR INNOVADORES CONVIERTE CO2 en metanol
Los investigadores de ETH Zurich han logrado un gran avance en el diseño de catalizadores. Su nuevo sistema reduce significativamente la energía necesaria para producir metanol (un alcohol) a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.
El equipo también logró un uso inusualmente eficiente del metal indio. En este catalizador, cada átomo de indio individual actúa como su propio sitio activo. Este es un gran cambio con respecto al enfoque tradicional, donde los metales se agrupan en partículas.
Otro beneficio clave es la mejora de la precisión. En el pasado, el desarrollo de catalizadores a menudo se basaba en prueba y error. Este nuevo diseño permite a los científicos observar y comprender mejor las reacciones que tienen lugar en la superficie, abriendo la puerta al desarrollo de catalizadores más deliberados y optimizados.
Papel del metanol en la química sostenible
“El metanol es un precursor universal para fabricar una amplia gama de productos químicos y materiales como plásticos: la navaja suiza de la química”, dice Javier Pérez-Ramírez, profesor de ingeniería de catálisis en ETH Zurich.
El metanol es esencial para la producción de combustibles y materiales, y desempeña un papel cada vez más importante en los esfuerzos por abandonar los combustibles fósiles. La producción de metanol puede ser climáticamente neutra si el hidrógeno y la energía utilizados en el proceso provienen de fuentes renovables.
Este método también ofrece una nueva forma de utilizar CO2. En lugar de liberarlo a la atmósfera, se puede capturar y convertir en una valiosa materia prima.
La eficiencia catalítica de un solo átomo es la más alta
“Nuestro nuevo catalizador tiene una arquitectura de un solo átomo, en la que los átomos metálicos activos aislados están anclados a la superficie de un material de soporte especialmente desarrollado”, explica Pérez-Ramírez.
En los catalizadores convencionales, los metales suelen descomponerse en pequeñas partículas que pueden contener cientos o incluso miles de átomos. Muchos de estos átomos no participan directamente en la reacción, lo que hace que el proceso sea menos eficiente.
Los catalizadores de un solo átomo representan una alternativa más eficiente. Al utilizar metales a nivel de átomos individuales, los científicos pueden hacer un mejor uso de materiales escasos y costosos. En algunos casos, también hace que sea práctico utilizar metales preciosos en aplicaciones industriales.
Trabajar con átomos aislados también puede cambiar el comportamiento del catalizador. “El indio ya se utiliza en este catalizador desde hace más de una década”, afirma Pérez-Ramírez. “En nuestro estudio, demostramos que los átomos de indio aislados en el óxido de hafnio permiten una producción de CO más eficiente.2– síntesis basada en metanol en comparación con el indio en forma de nanopartículas que contienen una gran cantidad de átomos”.
Ingeniería de catalizadores estables de un solo átomo
Para colocar con precisión átomos de indio individuales en la superficie del óxido de hafnio, el equipo de ETH desarrolló varios métodos de síntesis nuevos en colaboración con otros grupos de investigación. Un factor crítico fue diseñar un material de soporte que mantuviera los átomos estables y les permitiera seguir siendo reactivos.
Un método consiste en quemar los materiales de partida en una llama a temperaturas entre 2.000 y 3.000 grados Celsius, seguido de un enfriamiento rápido. En estas condiciones, los átomos de indio permanecen en la superficie y quedan fuertemente incrustados.
El catalizador resultante es muy duradero. Los investigadores han demostrado que estos sistemas de un solo átomo pueden soportar condiciones exigentes, incluidas altas temperaturas y presiones. Esto es importante porque el metanol se produce a partir de CO.2 Y el hidrógeno normalmente requiere temperaturas de hasta 300°C y presiones de hasta 50 veces los niveles atmosféricos normales.
Visión clara de los procesos de retroalimentación
Los catalizadores tradicionales hechos de nanopartículas han sido difíciles de estudiar durante mucho tiempo. Aunque las reacciones ocurren en átomos de la superficie, gran parte de la señal medida proviene de átomos dentro de las partículas que no participan en la reacción. Esto hace que sea difícil explicar lo que realmente está pasando.
Con catalizadores de un solo átomo, este problema se reduce. Como sólo están presentes átomos aislados, los científicos pueden analizar los procesos de reacción con mucha menos interferencia, lo que permite obtener conocimientos más claros.
Pérez-Ramírez está trabajando para mejorar el CO2– Coopera estrechamente con la producción y la industria del metanol desde 2010. También tiene varias patentes en este campo. Según él, el éxito de este nuevo catalizador fue posible gracias a la estrecha colaboración entre la comunidad científica suiza: “El desarrollo del catalizador de metanol y el análisis detallado del proceso no habrían sido posibles sin esta experiencia interdisciplinaria”.
