El nuevo enfoque catalizador combina lo mejor de dos mundos
Catálisis homogénea y heterogénea: síntesis de dos principios
Un equipo del Forschungszentrum Jülich y la Universidad RWTH de Aquisgrán ha desarrollado un novedoso enfoque para un catalizador que combina las ventajas de los dos métodos de catálisis más utilizados. El nuevo método catalítico se basa en el metal iridio y ha logrado en el laboratorio una actividad cinco veces superior a la de los anteriores sistemas de referencia, manteniendo al mismo tiempo una gran estabilidad durante varios días. Antes se consideraba difícil conseguir al mismo tiempo una actividad elevada y una estabilidad a largo plazo. Estos hallazgos podrían ayudar a aumentar aún más la eficacia del iridio, un material catalizador muy activo pero caro, lo que supondría una importante contribución al avance del uso del hidrógeno verde como solución de almacenamiento de energía respetuosa con el clima. El equipo publica sus resultados en la revista EES Catalysis de la Royal Society of Chemistry.
Catalizadores para la economía del hidrógeno
El hidrógeno verde desempeña un papel importante como medio de almacenamiento de energía en el sistema energético respetuoso con el clima del futuro. Para utilizarlo, el hidrógeno debe almacenarse, transportarse y liberarse eficazmente cuando sea necesario. Uno de los principales retos es facilitar al máximo el uso de este gas tan volátil. Sustancias portadoras como el amoníaco, el metanol, el ácido fórmico y otras moléculas afines son posibles soluciones. Los catalizadores son necesarios para unir el hidrógeno a estas moléculas y liberarlo de nuevo: aceleran las reacciones necesarias o las hacen posibles y económicamente viables en primer lugar.
Catálisis homogénea y heterogénea: síntesis de dos principios
La novedad del enfoque Jülich-Aachen radica en la combinación de dos mundos de la catálisis: la catálisis homogénea y la heterogénea. La catálisis homogénea se produce cuando el catalizador y la sustancia reaccionante, conocida como reactante, se encuentran en la misma fase: ambas gaseosas o líquidas, por ejemplo. En la catálisis heterogénea, el catalizador es un sólido y el reactivo es gaseoso o líquido. Las ventajas de la catálisis heterogénea son que el catalizador y el reactivo pueden separarse de forma limpia y sencilla, lo que reduce los costes. Por otro lado, la catálisis homogénea tiene el potencial de ser más activa y selectiva porque todos los átomos del material catalizador pueden ser activos. Además, la estructura y el entorno químico del catalizador pueden adaptarse con precisión a una reacción específica. En cambio, en un sólido, los átomos de la nanopartícula permanecen inactivos, ya que no entran en contacto con los reactivos.
Normalmente, el equipo formado por el Instituto para una Economía Sostenible del Hidrógeno del Forschungszentrum Jülich - Materiales Catalíticos para el Almacenamiento Químico de Hidrógeno (INW-2) y la Cátedra de Catálisis Heterogénea y Química Técnica de la Universidad RWTH de Aquisgrán se centra principalmente en la catálisis heterogénea. "Con el nuevo catalizador, hemos intentado aprovechar los mejores aspectos del otro mundo -en nuestro caso, la catálisis homogénea- para el nuestro", explica la profesora Regina Palkovits, que dirige tanto el INW-2 como la cátedra de Aquisgrán.
Altamente activa y fácilmente separable
La terpiridina desempeña aquí un papel central: es una molécula que une fuertemente átomos metálicos como el iridio. Para los investigadores de Jülich y Aquisgrán, era crucial integrar en un polímero la estructura de la terpiridina, capaz de unir iridio de forma muy estable. Un polímero es un compuesto químico formado por muchos bloques pequeños que se repiten. El resultado es un catalizador molecular sólido (SMC). "De este modo, el iridio puede separarse del reactivo como en la catálisis heterogénea, en este caso como componente del polímero de terpiridina", explica Keanu Birkelbach, autor principal de la publicación. "Al mismo tiempo, cada átomo de iridio del SMR forma un centro catalíticamente activo, como ocurre en la catálisis homogénea". Esta combinación de mayor actividad y mejor separabilidad es nueva. El iridio puede utilizarse de forma más eficiente y también recuperarse. Dado su elevado precio en el mercado mundial, esto ofrece un gran potencial de ahorro. Actualmente, el iridio es un 50% más caro que el oro.
Próximos pasos: ampliación y materiales alternativos
Según Keanu Birkelbach, los siguientes pasos podrían incluir la ampliación del reactor más allá de la escala de laboratorio y la sustitución del caro iridio por un metal catalíticamente activo más asequible. También podrían ensayarse otras moléculas portadoras de hidrógeno. En el laboratorio, el equipo de Jülich y Aquisgrán utilizó el catalizador de iridio molecularmente definido para liberar hidrógeno a partir de ácido fórmico.
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