En el ámbito de la ciencia y la ingeniería, el dióxido de carbono (CO2) es reconocido como uno de los principales contribuyentes al calentamiento global. Sin embargo, lo que a menudo se pasa por alto es su potencial para ser convertido en productos químicos valiosos mediante el uso de catalizadores innovadores. Un equipo de científicos, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad del Norte de Illinois y la Universidad de Valparaíso, ha desarrollado un catalizador de bajo costo basado en estaño que puede convertir selectivamente el CO2 en tres productos químicos ampliamente utilizados: etanol, ácido acético y ácido fórmico.

Catalizadores basados en estaño: Un avance prometedor

Los catalizadores desarrollados están compuestos de metal de estaño depositado sobre un soporte de carbono. Esta innovación permite una conversión eficiente del CO2 en productos químicos útiles, lo que representa una oportunidad significativa para reducir las emisiones industriales y producir sustancias químicas valiosas de manera sostenible.

¿Cómo funciona?

El método utilizado para esta conversión se denomina conversión electrocatalítica. Esto significa que la conversión de CO2 sobre el catalizador es impulsada por electricidad. Al variar el tamaño de las partículas de estaño, desde átomos individuales hasta nano-cristales más grandes, los científicos pudieron controlar la conversión de CO2 para producir etanol, ácido acético y ácido fórmico con una selectividad superior al 90%. Este nivel de control y eficiencia es sin precedentes en la investigación de conversión de CO2.

Por ejemplo, el uso de átomos individuales de estaño favorece la producción de ácido acético, mientras que las pequeñas agrupaciones producen etanol y los nano-cristalitos más grandes generan ácido fórmico. Este hallazgo destaca la importancia del tamaño del catalizador en la determinación de los productos de la reacción.

Estudios computacionales y experimentales

Los estudios computacionales y experimentales proporcionaron información clave sobre los mecanismos de reacción que forman estos tres hidrocarburos. Un hallazgo notable fue que la ruta de la reacción cambia completamente cuando se utiliza agua deuterada (agua que contiene deuterio, un isótopo del hidrógeno) en lugar de agua ordinaria. Este fenómeno, conocido como efecto isotópico cinético, nunca había sido observado anteriormente en la conversión de CO2.

Utilizando los rayos X duros disponibles en el Advanced Photon Source (APS) y un microscopio electrónico de transmisión en el Center for Nanoscale Materials (CNM), ambos en Argonne, los científicos capturaron las estructuras químicas y electrónicas de los catalizadores basados en estaño. Estas herramientas permitieron la visualización directa de la disposición de los átomos de estaño, desde átomos individuales hasta pequeños grupos, con diferentes cargas de catalizador.

Implicaciones y aplicaciones futuras

El objetivo final de este proyecto es utilizar electricidad generada localmente a partir de fuentes renovables, como el viento y la energía solar, para producir productos químicos deseados para el consumo local. Para lograr esto, sería necesario integrar los catalizadores descubiertos en un electrolizador de baja temperatura, que opera a temperaturas y presiones cercanas a las ambientales. Esta tecnología permite un arranque y parada rápidos, ideal para acomodar el suministro intermitente de energía renovable.

Beneficios económicos y ambientales

La implementación de esta tecnología podría reducir significativamente los costos de transporte y almacenamiento de CO2, ya que permitiría la producción de productos químicos directamente en el sitio de las emisiones. Esto no solo reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero, sino que también proporcionaría una fuente de productos químicos valiosos, promoviendo una economía más circular y sostenible.

Reflexiones finales

El desarrollo de catalizadores basados en estaño para la conversión de CO2 en productos químicos valiosos representa un avance significativo hacia una industria más sostenible. La capacidad de producir etanol, ácido acético y ácido fórmico de manera eficiente y selectiva abre nuevas oportunidades para reducir las emisiones de CO2 y generar productos químicos de alta demanda.