18.03.2022 - University of Delaware

Catalizador de un futuro más verde

Los investigadores mejoran la capacidad de los catalizadores fabricados con óxidos metálicos para convertir plantas no comestibles en combustibles renovables, productos químicos y plásticos

Los catalizadores son caballos de batalla que ayudan a que se produzcan las reacciones. Cuando se ponen a trabajar, transforman los materiales de partida, como los combustibles fósiles, la biomasa o incluso los residuos, en productos y combustibles con un mínimo de energía.

Los investigadores del Centro de Catálisis para la Innovación Energética (CCEI) de la Universidad de Delaware han encontrado una forma de mejorar la capacidad de los catalizadores de óxidos metálicos para convertir plantas no comestibles, como la madera, la hierba y el rastrojo de maíz -las hojas, los tallos y las mazorcas que sobran en los campos después de la cosecha- en combustibles renovables, productos químicos y plásticos.

Los catalizadores de óxido metálico son fundamentales para las reacciones de mejora de los productos petroquímicos, la química fina, los productos farmacéuticos y la biomasa.

La estrategia del equipo de investigación aprovechó la naturaleza dinámica de los catalizadores de óxido de platino-tungsteno para convertir estos materiales de partida en productos hasta 10 veces más rápido que los métodos tradicionales. Es el tipo de tecnología catalítica innovadora que podría contribuir a un futuro más sostenible y ecológico, en el que los procesos requieran menos catalizadores para funcionar, lo que supondría menos residuos y menos uso de energía en general.

Potenciar la actividad de los catalizadores

La superficie de un catalizador contiene múltiples sitios activos en los que se producen reacciones químicas. Estos sitios activos son sensibles y dinámicos, y cambian en respuesta a su entorno de forma muy compleja y a menudo difícil de predecir. Por ello, se sabe poco sobre cómo funcionan los procesos en estos sitios activos o cómo interactúan los sitios con su entorno. Los enfoques tradicionales para aumentar la comprensión, como el estudio de los catalizadores en condiciones estáticas en un reactor químico, no funcionan.

Por ello, los investigadores del CCEI combinaron la modelización, las técnicas sintéticas avanzadas, las espectroscopias in situ y las reacciones de sondeo para conocer mejor cómo se unen los materiales catalizadores de platino y óxido de tri-tungsteno, qué estructura adoptan y qué ocurre en la superficie del catalizador. En concreto, el equipo de investigación estaba interesado en saber cómo evolucionan los sitios activos de un catalizador (donde se producen las reacciones químicas) con el tiempo y cuando se exponen a cambios específicos.

"Al identificar los signos reveladores de su dinámica, pudimos establecer, por primera vez, un modelo sólido para predecir su comportamiento en diversos entornos de trabajo", dijo Jiayi Fu, autor principal del artículo, que recientemente obtuvo su doctorado en ingeniería química en la UD y ahora trabaja en Bristol Myers Squibb.

Fu explicó que las superficies de los catalizadores, al igual que las plantas, florecen cuando se les da el equilibrio adecuado de luz solar y sustento. El equipo de investigación demostró con éxito una novedosa estrategia de "irrigación" que utiliza pulsos de hidrógeno para aumentar significativamente la población de sitios activos en estos catalizadores, permitiendo que las reacciones se produzcan 10 veces más rápido.

"En realidad no estamos regando los catalizadores, eso es sólo una metáfora. Pero, al encender y apagar el gas hidrógeno, creamos estos sitios activos que imitan el agua, a través de un proceso conocido como hidroxilación", dijo Dion Vlachos, la Cátedra Unidel Dan Rich en Energía, profesor de ingeniería química y biomolecular y director del CCEI. "Estos sitios activos se encargan entonces de la química. Así, al igual que la luz y el agua alimentan a las plantas, aquí alimentamos el hidrógeno para 'regar' el catalizador y hacer que produzca -o crezca- nuevas sustancias químicas".

El trabajo ilustra un ejemplo exitoso de cómo las simulaciones pueden predecir el comportamiento catalítico y permitir el diseño racional de procesos catalíticos más eficientes, dijo Vlachos, que también dirige el Instituto de Energía de Delaware. Los resultados también proporcionan una forma viable de estudiar, comprender y controlar esta importante clase de catalizadores.

"Se sabe que los catalizadores evolucionan y responden a su entorno, pero lo hacen con rapidez y de formas que han sido difíciles de observar en tiempo real", dijo. "Este trabajo establece una plataforma sobre cómo diseccionar su comportamiento de trabajo y, lo que es más importante, cómo diseñarlos para conseguir una mejora del rendimiento sin precedentes".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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