Ingeniería de un catalizador alternativo de bajo coste para producir productos petroquímicos sostenibles
Nuevos métodos para aprovechar las propiedades del carburo de wolframio podrían sustituir a los metales preciosos
Importantes productos cotidianos -desde plásticos a detergentes- se fabrican mediante reacciones químicas que, en su mayoría, utilizan metales preciosos como el platino como catalizador. Los científicos llevan años buscando sustitutos más sostenibles y baratos, y el carburo de wolframio -un metal que abunda en la Tierra y se utiliza habitualmente en maquinaria industrial, herramientas de corte y cinceles- es un candidato prometedor.
Evolución de la carburación (representada por las esferas) bajo control cinético (ilustrado por los contornos de la superficie). Los haces moleculares representan la evolución del gas en condiciones de síntesis, mientras que la esfera ardiente destaca la formación de la fase de semicarburo de wolframio puro con haces moleculares adicionales en la parte superior para ilustrar su rendimiento catalítico.
Illustration by Sinhara M. H. D. Perera
Pero el carburo de wolframio tiene propiedades que han limitado sus aplicaciones. Marc Porosoff, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y de la Sostenibilidad de la Universidad de Rochester, y sus colaboradores han logrado recientemente varios avances clave para hacer del carburo de wolframio una alternativa más viable al platino en las reacciones químicas.
El mejor cambio de fase
Sinhara Perera, estudiante de doctorado de ingeniería química en el laboratorio de Porosoff, dice que parte de lo que hace que el carburo de wolframio sea un catalizador difícil para producir productos valiosos es que sus átomos pueden disponerse en muchas configuraciones diferentes, conocidas como fases.
"Hasta ahora no se conocía bien la estructura de la superficie del carburo de wolframio porque es muy difícil medir la superficie catalítica dentro de las cámaras donde tienen lugar estas reacciones químicas", explica Perera.
En un estudio publicado en ACS Catalysis, Porosoff, Perera y la estudiante de ingeniería química Eva Ciuffetelli (27) superaron este problema manipulando cuidadosamente partículas de carburo de tungsteno a escala nanométrica dentro del reactor químico, un recipiente en el que las temperaturas pueden superar los 700 grados centígrados. Mediante un proceso llamado carburización programada por temperatura, crearon catalizadores de carburo de tungsteno en la fase deseada dentro del reactor, ejecutaron la reacción y estudiaron qué versiones funcionaban mejor.
"Algunas de las fases son más estables desde el punto de vista termodinámico, por lo que es ahí donde el catalizador quiere acabar", explica Porosoff. "Pero otras fases que son menos estables termodinámicamente son más eficaces como catalizadores".
Los investigadores identificaron una fase concreta -β-W₂C- que funciona especialmente bien para una reacción que convierte el dióxido de carbono en precursores importantes para fabricar productos químicos y combustibles útiles. Porosoff y su equipo creen que esta fase del carburo de wolframio podría ser tan eficaz como el platino sin los inconvenientes de su elevado coste y su limitado suministro.
Reciclaje de plásticos
Porosoff y sus colegas también han estudiado el carburo de wolframio como catalizador para reciclar residuos plásticos y convertir plásticos viejos en nuevos productos de alta calidad. Un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society, dirigido por Linxao Chen, de la Universidad del Norte de Texas, y apoyado por Porosoff y el profesor adjunto de URochester Siddharth Deshpande, demostró que el carburo de wolframio puede utilizarse en un proceso llamado hidrocraqueo.
El carburo de wolframio no sólo era menos costoso que los catalizadores de platino para el hidrocraqueo, sino que también era más de 10 veces más eficaz.
El hidrocraqueo consiste en descomponer químicamente grandes moléculas, como el polipropileno (base de las botellas de agua y otros muchos plásticos), en moléculas más pequeñas que puedan utilizarse en nuevos productos. Aunque el hidrocraqueo se ha utilizado en el refinado de petróleo y gas, su aplicación al tratamiento de residuos plásticos ha planteado problemas debido a la gran estabilidad de las cadenas poliméricas que componen la mayoría de los plásticos de un solo uso y a la presencia de contaminantes que desactivan los catalizadores. Los metales preciosos, como el platino, que se utilizan actualmente como catalizadores se desactivan rápidamente y se apoyan en superficies microporosas que no tienen espacio para las largas cadenas de polímeros de los plásticos de un solo uso.
"El carburo de wolframio, cuando se fabrica con la fase correcta, tiene propiedades metálicas y ácidas que son buenas para romper las cadenas de carbono de estos polímeros", dice Porosoff. "Estas grandes cadenas de polímeros voluminosos pueden interactuar con el carburo de tungsteno mucho más fácilmente porque no tienen microporos que causan limitaciones con los catalizadores típicos a base de platino".
El estudio demostró que el carburo de wolframio no sólo era menos costoso que los catalizadores de platino para el hidrocraqueo, sino que era más de 10 veces más eficaz. Los investigadores afirman que esto abre nuevas e interesantes vías para mejorar los catalizadores y convertir los residuos plásticos en nuevos materiales, apoyando una economía circular.
Tomar la temperatura
La base de estos avances en la creación de catalizadores más eficientes es la capacidad de medir con precisión las temperaturas en las superficies de los catalizadores. Las reacciones químicas pueden absorber calor (endotérmicas) o liberarlo (exotérmicas), y controlar la temperatura de la superficie del catalizador permite a los científicos coordinar eficazmente múltiples reacciones. Pero las mediciones que se utilizan actualmente para tomar la temperatura de los catalizadores proporcionan medias aproximadas que no dan suficientes matices para medir con exactitud las condiciones precisas que se necesitan para estudiar con eficacia las reacciones químicas.
Utilizando técnicas de medición óptica desarrolladas en el laboratorio de Andrea Pickel, profesora visitante del Departamento de Ingeniería Mecánica, los investigadores idearon una nueva forma de medir la temperatura dentro de los reactores químicos. Describen la nueva técnica en un estudio publicado en EES Catalysis.
"Con este estudio hemos aprendido que, dependiendo del tipo de proceso químico, la temperatura medida con estas lecturas a granel puede variar entre 10 y 100 grados centígrados", explica Porosoff. "Esa es una diferencia realmente significativa en estudios catalíticos en los que se intenta garantizar que las mediciones sean reproducibles y que se puedan acoplar múltiples reacciones".
El equipo aplicó su nueva técnica para estudiar catalizadores en tándem, en los que una reacción exotérmica proporciona suficiente calor para desencadenar otra endotérmica. El acoplamiento eficaz de estas reacciones puede minimizar el calor residual y conducir a procesos de ingeniería química más eficientes.
Porosoff afirma que la técnica también podría ayudar a cambiar la forma en que los investigadores llevan a cabo los estudios de catálisis, lo que daría lugar a mediciones más cuidadosas, trabajos reproducibles y hallazgos más sólidos en todo el campo.
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