28.07.2020 - Boston College

El sistema catalítico en tándem convierte eficientemente el dióxido de carbono en metanol

Encapsulando múltiples catalizadores moleculares en marcos metal-orgánicos nanoporosos centrales para una transformación eficiente

La conversión de dióxido de carbono en metanol, un combustible alternativo potencialmente renovable, ofrece la oportunidad de formar simultáneamente un combustible alternativo y reducir las emisiones de dióxido de carbono.

Inspirado por procesos naturales, un equipo de químicos del Boston College utilizó un sistema de catalizador múltiple para convertir el dióxido de carbono en metanol a las temperaturas más bajas reportadas con alta actividad y selectividad, informaron los investigadores en una reciente edición en línea de la revista Chem.

El descubrimiento del equipo fue posible gracias a la instalación de múltiples catalizadores en un solo sistema construido dentro de un material cristalino poroso similar a una esponja conocido como marco metal-orgánico, dijeron los profesores asociados de química del Boston College Jeffery Byers y Frank Tsung, autores principales del informe.

Mantenidos en su lugar por la esponja, los catalizadores separados trabajan en armonía. Sin el aislamiento de la especie catalíticamente activa de esta manera, la reacción no procedió y no se obtuvo ningún producto, informaron.

El equipo se inspiró en la maquinaria biológica de las células, que utilizan reacciones químicas multicomponentes con gran eficiencia, dijo Tsung.

El equipo empleó la separación de catalizadores a través de la química de huésped-huésped - donde una molécula "huésped" se encapsula en un material "huésped" para formar un nuevo compuesto químico - con el fin de convertir el dióxido de carbono en metanol. El enfoque, inspirado en las transformaciones catalíticas multicomponentes de la naturaleza, convirtió un gas de efecto invernadero en un combustible renovable, evitando al mismo tiempo una elevada demanda catalítica en una sola especie.

"Logramos esto encapsulando uno o más catalizadores en un marco metal-orgánico y aplicando la construcción huésped-huésped resultante en la catálisis en tándem con otro complejo de metal de transición", dijo Tsung.

El equipo, que incluía al estudiante de posgrado Thomas M. Rayder y al estudiante de licenciatura Enric H. Adillon, se propuso determinar si podían desarrollar un enfoque para integrar catalizadores incompatibles a fin de convertir el dióxido de carbono en metanol a baja temperatura y con alta selectividad, dijo Byers.

Específicamente, querían averiguar si este enfoque tiene ventajas específicas en comparación con los actuales sistemas de vanguardia para la conversión de dióxido de carbono en metanol a partir de un complejo de metales de transición.

"La colocación de los catalizadores de complejos metálicos de transición múltiple en la posición correcta en un sistema es fundamental para el giro de la reacción", dijo Byers. "Al mismo tiempo, encapsular estos catalizadores permitió la reciclabilidad en el sistema catalítico multicomponente".

Estas propiedades hacen que la construcción del catalizador multicomponente sea más relevante desde el punto de vista industrial, lo que puede allanar el camino para una economía de combustible neutra en cuanto al carbono, dijeron los investigadores.

Además de lograr el aislamiento del sitio encapsulando los catalizadores, lo que condujo a la actividad del catalizador y a su reciclabilidad, el equipo descubrió una característica autocatalítica del catalizador que permitió que la reacción se llevara a cabo sin necesidad de grandes cantidades de aditivos. La mayoría de los informes anteriores sobre reacciones similares utilizan grandes cantidades de aditivos, pero el enfoque del equipo evita esta necesidad.

El equipo planea hacer más investigaciones sobre la modularidad tanto del método de encapsulación como de los marcos metal-orgánicos para obtener una comprensión más profunda del sistema multicomponente y optimizarlo aún más, así como acceder a una nueva e inexplorada reactividad a través de la formación de nuevas construcciones huésped-huésped, dijo Tsung.

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