Un nuevo catalizador facilita el reciclado y la biodegradación de los plásticos de un solo uso.

Los investigadores crearon un nuevo catalizador que transforma los hidrocarburos en productos químicos y materiales de mayor valor, más fáciles de reciclar y biodegradables en el medio ambiente. Este catalizador transforma materiales como el aceite de motor, los plásticos de las bolsas de supermercado de un solo uso, las botellas de agua o leche y sus tapones, e incluso el gas natural. Ha sido desarrollado por un equipo de científicos dirigido por Aaron Sadow, científico del Laboratorio Nacional de Ames, director del Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP) y profesor de química de la Universidad Estatal de Iowa.

El nuevo catalizador está diseñado para introducir grupos funcionales en hidrocarburos alifáticos. Los hidrocarburos alifáticos son compuestos orgánicos formados únicamente por hidrógeno y carbono. Normalmente no se mezclan con el agua, sino que crean capas distintas, en parte porque no contienen grupos funcionales. Los grupos funcionales son agrupaciones específicas de átomos dentro de las moléculas que tienen características únicas. Añadir grupos funcionales a estas cadenas de hidrocarburos puede afectar drásticamente a sus propiedades y hacer que los materiales sean reciclables.

"El metano del gas natural es el más simple de los hidrocarburos, con nada más que enlaces carbono-hidrógeno (CH). Los aceites y los polímeros tienen cadenas de átomos de carbono, unidas por enlaces carbono-carbono (CC)", explicó Sadow.

Los hidrocarburos alifáticos componen gran parte del petróleo y de los productos petrolíferos refinados, como los plásticos y los aceites de motor. Estos materiales "no tienen otros grupos funcionales, lo que significa que no son fáciles de biodegradar", dijo Sadow. "Por eso, desde hace tiempo es un objetivo en el campo de la catálisis poder tomar este tipo de materiales y añadirles otros átomos, como oxígeno, o construir nuevas estructuras a partir de estas sustancias químicas simples".

Por desgracia, la forma convencional de añadir átomos a las cadenas de hidrocarburos requiere considerables aportes de energía. Primero, el petróleo se "craquea" con calor y presión en pequeños bloques de construcción. A continuación, esos bloques se utilizan para formar cadenas. Por último, se añaden los átomos deseados al final de las cadenas. En este nuevo método, los hidrocarburos alifáticos existentes se convierten directamente sin craqueo y a baja temperatura.

El equipo de Sadow utilizó previamente un catalizador para romper los enlaces CC de estas cadenas de hidrocarburos y, simultáneamente, unió aluminio a los extremos de las cadenas más pequeñas. A continuación, insertaron oxígeno u otros átomos para introducir grupos funcionales. Para desarrollar un proceso complementario, el equipo encontró una forma de evitar el paso de ruptura del enlace CC. "Dependiendo de la longitud de la cadena del material de partida y de las propiedades deseadas del producto, podríamos querer acortar las cadenas o simplemente añadir el grupo funcional de oxígeno", dijo Sadow. "Si pudiéramos evitar la escisión del CC, podríamos, en principio, limitarnos a transferir las cadenas del catalizador al aluminio y luego añadir aire para instalar el grupo funcional".

Sadow explicó que el catalizador se sintetiza adhiriendo un compuesto de circonio disponible en el mercado a sílice-alúmina también disponible en el mercado. Todas las sustancias son terrestres y baratas, lo que resulta beneficioso para posibles aplicaciones comerciales futuras.

Además, el catalizador y el reactivo son ventajosos en términos de sostenibilidad y coste. El aluminio es el metal más abundante de la Tierra y el reactivo de aluminio utilizado se sintetiza sin generar subproductos residuales. El precursor catalizador a base de óxido de circonio es estable en el aire, está disponible y se activa en el reactor. "A diferencia de muchos de los primeros compuestos organometálicos, muy sensibles al aire, este precursor de catalizador es fácil de manipular", explica Sadow.

Esta química es un paso adelante para poder modificar las propiedades físicas de diversos plásticos, por ejemplo, haciéndolos más resistentes y fáciles de colorear. "A medida que desarrollemos más la catálisis, esperamos poder incorporar cada vez más grupos funcionales para influir en las propiedades físicas de los polímeros", dijo Sadow.

Sadow atribuyó el éxito de este proyecto a la naturaleza colaborativa de iCOUP. El grupo de Perras, del Laboratorio Nacional Ames, estudió las estructuras de los catalizadores mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Los grupos de Coates, LaPointe y Delferro, de la Universidad de Cornell y el Laboratorio Nacional de Argonne, investigaron la estructura y las propiedades físicas de los polímeros. Y el grupo de Peters, de la Universidad de Illinois, modeló estadísticamente la funcionalización de polímeros. "Los éxitos de los proyectos del centro se basan en las aportaciones de la experiencia de muchos grupos", afirmó Sadow. "Este trabajo pone de relieve las ventajas de la ciencia en equipo".