Utilizar átomos individuales para lograr una química sin fósiles

Toda reacción química se enfrenta a una barrera: para que las sustancias reaccionen entre sí, primero es necesario suministrar energía. En muchos casos, esta barrera energética es baja, como cuando se enciende una cerilla. Sin embargo, para muchas reacciones clave en la industria, es mucho mayor, y el aumento de los requisitos energéticos encarece los costes de producción. Para reducir esta barrera, los químicos utilizan catalizadores. Las mejores de estas sustancias contienen metales, incluidos, en algunos casos, metales raros.

Mejor, más eficaz y sin dejar nada al azar

Ahora, químicos de la ETH de Zúrich han logrado un gran avance en la investigación de la catálisis a múltiples niveles:

• Han desarrollado un catalizador que reduce significativamente la barrera energética para la producción de metanol -un alcohol- a partir del gas de efecto invernadero_CO2 y el hidrógeno.
• En su catalizador, los investigadores utilizan el metal indio de forma extremadamente eficaz, en el sentido de que cada átomo individual de indio se comporta como un sitio activo.
• En el pasado, la investigación sobre catálisis solía basarse en "aciertos y errores". El catalizador recién descubierto permite un análisis más preciso de los mecanismos que tienen lugar en su superficie, allanando el camino para el diseño racional de catalizadores.

La navaja suiza de la química verde

"El metanol es un precursor universal para la producción de una amplia gama de productos químicos y materiales, como los plásticos: la navaja suiza de la química, por así decirlo", afirma Javier Pérez-Ramírez, catedrático de Ingeniería de Catálisis de la ETH de Zúrich. Por tanto, el líquido desempeña un papel vital en la transición hacia una producción sostenible y libre de combustibles fósiles de productos químicos y carburantes.

Si la energía utilizada para producir el hidrógeno y para la catálisis se genera de forma sostenible, el metanol puede incluso producirse en última instancia de forma neutra para el clima. De este modo se puede utilizar el_CO2 de la atmósfera como materia prima, en lugar de liberarlo como hacemos hoy en día.

Máximo aprovechamiento de los metales

"Nuestro nuevo catalizador tiene una arquitectura de átomo único, en la que los átomos metálicos activos aislados están anclados en la superficie de un material de soporte especialmente desarrollado", explica Pérez-Ramírez. En los catalizadores convencionales, en cambio, los metales suelen estar presentes en forma de agregados, generalmente pequeñas partículas. Aunque estas partículas son diminutas, suelen contener entre cien y varios miles de átomos metálicos.

No es de extrañar que los catalizadores monoatómicos sean actualmente un tema candente en la investigación sobre catálisis. Representan la cúspide de la eficiencia en lo que se refiere al uso de elementos químicos caros y escasos. Si los metales se utilizan como átomos individuales, incluso puede ser posible utilizar metales preciosos de forma económicamente viable.

Si los átomos pueden trabajar aislados, sus propiedades catalíticas también cambian con frecuencia. "El indio ya se utiliza en este catalizador desde hace más de una década", afirma Pérez-Ramírez. "En nuestro estudio, demostramos que los átomos de indio aislados sobre óxido de hafnio permiten una síntesis de metanol_{basada en CO2} más eficiente que el indio en forma de nanopartículas con gran número de átomos".

Átomos individuales en el lugar adecuado

Con el fin de anclar átomos individuales de indio a la superficie de óxido de hafnio de forma selectiva, el equipo interdisciplinar de la ETH desarrolló varias vías sintéticas en colaboración con colegas de otras instituciones de investigación. Una parte clave de este desarrollo fue la estructura específica del material de soporte, que proporciona a los átomos un entorno estable y, al mismo tiempo, reactivo.

En uno de los procesos de producción probados, los materiales de partida se queman en una llama a una temperatura de entre 2.000 y 3.000 °C y, a continuación, se enfrían rápidamente. En estas condiciones, el indio tiende a permanecer en la superficie, donde se incorpora de forma estable.

Con la incorporación de los átomos del catalizador a un soporte de óxido de hafnio resistente al calor, los químicos de la ETH demuestran que los catalizadores de un solo átomo pueden permanecer estables incluso en condiciones extremas. Por tanto, las reacciones que requieren altas temperaturas y presiones también están al alcance de la mano. Por ejemplo, la síntesis de metanol a partir de_CO2 y gas hidrógeno requiere temperaturas de hasta 300 °C y presiones de hasta 50 veces la presión atmosférica normal.

Interacción entre el metal del catalizador y la matriz

Además, las nanopartículas existentes utilizadas para el análisis eran una caja negra. Mientras que los procesos catalíticos sólo tenían lugar en el pequeño número de átomos de la superficie, muchas señales de medición procedían del interior de las partículas, de átomos que ni siquiera participaban en la reacción. Esto dificultaba la interpretación. En cambio, en los catalizadores con átomos aislados, los mecanismos de reacción pueden analizarse con muchas menos señales interferentes.

Pérez-Ramírez no solo lleva investigando mejores catalizadores para la producción de metanol a partir de_CO2 en la ETH desde 2010, sino que también colabora estrechamente con la industria y es titular de varias patentes en este campo. Un factor clave en el desarrollo del nuevo método de catalizador monoatómico fue la gran red que ha surgido en términos de investigación sobre catálisis en Suiza en los últimos años, afirma Pérez-Ramírez: "El desarrollo del catalizador de metanol y el análisis detallado del mecanismo no habrían sido posibles sin esta experiencia interdisciplinar."