Catalizar la conversión de biomasa en biocombustible
El agua en las zeolitas ahorra energía en la conversión de biomasa en biocombustible
Las zeolitas son materiales extremadamente porosos: Diez gramos pueden tener una superficie interna del tamaño de un campo de fútbol. Sus cavidades las hacen útiles para catalizar reacciones químicas y ahorrar así energía. Un equipo internacional de investigación ha hecho ahora nuevos descubrimientos sobre el papel de las moléculas de agua en estos procesos. Una aplicación importante es la conversión de la biomasa en biocombustible.
Grupos de moléculas de agua en las proas de una zeolita
Andreas Jentys / TUM
El combustible fabricado a partir de biomasa se considera neutro desde el punto de vista climático, aunque todavía se necesita energía para producirlo: Las reacciones químicas deseadas requieren altos niveles de temperatura y presión.
"Si queremos prescindir de las fuentes de energía fósiles en el futuro y hacer un uso eficiente de la biomasa a gran escala, también tendremos que encontrar formas de reducir la energía necesaria para procesar la biomasa", afirma Johannes Lercher, profesor de Tecnología Química de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y Director del Instituto de Catálisis Integrada del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington (EE.UU.).
En colaboración con un equipo de investigación internacional, Lercher ha estudiado a fondo el papel de las moléculas de agua en las reacciones que se producen en el interior de los poros de la zeolita, cuyo tamaño es inferior a un nanómetro.
Todo empieza con los ácidos
Una de las características de un ácido es que dona protones con facilidad. Así, cuando se añade al agua, el ácido clorhídrico se divide en aniones de cloruro con carga negativa, como los que se encuentran en los cristales de sal de mesa, y protones con carga positiva que se unen a las moléculas de agua. Esto da lugar a un ion hidronio cargado positivamente, que busca seguir pasando este protón, por ejemplo, a una molécula orgánica.
Cuando la molécula orgánica se ve "obligada" a aceptar un protón, intenta estabilizarse. Así, un alcohol puede dar lugar a una molécula con doble enlace, un paso de reacción típico en el camino de la biomasa al biocombustible. Las paredes de la zeolita estabilizan los estados de transición que se producen durante la conversión y, por tanto, ayudan a minimizar la cantidad de energía que necesita la reacción para producirse.
Las zeolitas actúan como ácidos
Las zeolitas contienen átomos de oxígeno en su estructura cristalina que ya llevan un protón. Al igual que los ácidos moleculares, forman iones de hidronio a través de las interacciones con el agua.
Sin embargo, aunque los iones de hidronio se dispersan en el agua, permanecen estrechamente asociados a la zeolita. El pretratamiento químico puede variar el número de estos centros activos y, por tanto, establecer una determinada densidad de iones de hidronio en los poros de la zeolita.
La zeolita ideal para cada reacción
Al variar sistemáticamente el tamaño de las cavidades, la densidad de los centros activos y la cantidad de agua, el equipo de investigación pudo dilucidar los tamaños de los poros y las concentraciones de agua que mejor catalizaban determinadas reacciones de ejemplo.
"En general, es posible aumentar la velocidad de reacción haciendo los poros más pequeños y aumentando la densidad de carga", explica Johannes Lercher. "Sin embargo, este aumento tiene sus límites: Cuando las cosas se apelotonan demasiado y las cargas están demasiado cerca unas de otras, la velocidad de reacción vuelve a caer. Esto permite encontrar las condiciones óptimas para cada reacción".
"En general, las zeolitas son adecuadas como nanorreactores para todas las reacciones químicas cuyos compañeros de reacción caben en los poros y en las que se utiliza un ácido como catalizador", subraya Lercher. "Estamos en los inicios de un desarrollo con el potencial de aumentar la reactividad de las moléculas incluso a bajas temperaturas y, por tanto, de ahorrar cantidades considerables de energía en la producción de combustibles o productos químicos."
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Publicación original
Niklas Pfriem, Peter H. Hintermeier, Sebastian Eckstein, Sungmin Kim, Qiang Liu, Hui Shi, Lara Milakovic, Yuanshuai Liu, Gary L. Haller, Eszter Baráth, Yue Liu, Johannes A. Lercher; "Role of the ionic environment in enhancing the activity of reacting molecules in zeolite pores"; Science; May 28, 2021: Vol. 372, Issue 6545, pp. 952-957
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