Dióxido de carbono, de residuo detestable a materia prima apreciada
QUÍMICA Y MEDIOAMBIENTE.
Transformar la contaminación en combustible es el objetivo de un proceso denominado hidrogenación del dióxido de carbono, que convierte a este gas, uno de los principales con efecto invernadero, en productos químicos renovables.
Uno de los más importantes es el metanol, un compuesto versátil utilizado en todo, desde plásticos hasta combustibles.
El dióxido de carbono expulsado por actividades industriales y de otro tipo podría pasar de ser un residuo inútil y pernicioso en el aire a una materia prima aprovechable fuera de él. Foto: Alfred T. Palmer / NOAA.
También es posible producir otros compuestos, como el metano, que puede inyectarse directamente en gasoductos de gas natural, además de hidrocarburos de cadenas mayores que pueden emplearse como gasolina o para combustible de aviones.
Esto abre la posibilidad de crear versiones de combustibles que sean neutras en carbono (que en su combustión no liberen más carbono que el que absorben en su elaboración), sostenibles y renovables (que no dependan de fuentes finitas como lo son los yacimientos de petróleo y otros) y que por todo ello constituyan una alternativa viable a las versiones tradicionales (fósiles) de dichos combustibles.
Un consorcio internacional, entre cuyos miembros figuran Jingyun Ye, de la Universidad Duquesne en Pittsburgh, Estados Unidos; Liane Rossi, del Instituto de Química de la Universidad de Sao Paulo (USP), en Brasil; y Robert Wojcieszak, del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Francia, ha presentado recientemente los resultados de un análisis sobre el estado global de esta línea de investigación y desarrollo.
“Necesitamos repensar nuestra relación con el dióxido de carbono”, defiende Wojcieszak. “En lugar de verlo como un residuo, podemos capturar el dióxido de carbono de fuentes industriales o incluso directamente del aire y utilizarlo como un valioso bloque de construcción de carbono.”
La superficie de las partículas catalíticas captura las moléculas de dióxido de carbono e hidrógeno, debilitando los enlaces fuertes que las mantienen unidas. Esto permite que los átomos se reorganicen y formen nuevos enlaces, generando los productos deseados. Los científicos trabajan constantemente para desarrollar mejores catalizadores.
En el estudio se analizó el metanol como una solución verde para la aviación y el transporte marítimo. Desde la década de 1940, se ha utilizado el catalizador CuZnAl (CZA) para producir metanol. Se convirtió en el estándar de la industria debido a su eficiencia. Sin embargo, “al utilizar el CZA, el proceso catalítico presenta una peculiaridad: tiende a una reacción diferente en vez de convertir directamente el dióxido de carbono en metanol. Esto significa que no utiliza el dióxido de carbono de manera tan eficiente como nos gustaría”, explica Andrew Beale, profesor del University College de Londres, en el Reino Unido, y también coautor del estudio.
Otro problema del CZA es la agregación. Con el tiempo, las partículas catalíticas se agrupan, reduciendo su área de superficie activa y volviéndose menos eficaces. Nikolaos Dimitratos, profesor de la Universidad de Bolonia, en Italia, añade: “Los catalizadores que inicialmente son más activos [y generalmente contienen más cobre] también son los que se agregan más rápidamente.”
Así, aunque el CZA es un excelente catalizador, su rendimiento disminuye a lo largo del tiempo. Debido a ello, la comunidad científica tiene un gran interés por buscar catalizadores aún mejores, que puedan usar el dióxido de carbono de manera más eficiente y que duren más tiempo. La hidrogenación del dióxido de carbono puede proporcionarles a sectores difíciles de electrificar directamente, como lo son la aviación y el transporte marítimo, combustibles que no provoquen un aumento neto de la contaminación.
Ya se están explorando nuevas formulaciones para catalizadores, y aquellos a base de óxido de indio están mostrando un gran potencial. Investigaciones recientes indican que más del 85% de estos nuevos catalizadores pueden convertir dióxido de carbono en metanol con una eficiencia superior al 50%.
“La buena noticia es que la producción de metanol está mejorando cada vez más”, afirma Jingyun Je. El catalizador más prometedor actualmente está compuesto por cobre, óxido de zinc, óxido de manganeso y un soporte especial llamado KIT-6. Este catalizador puede operar a una temperatura relativamente baja (180 grados centígrados) y transformar el dióxido de carbono en metanol con alta eficiencia.
Sin embargo, como explica Rossi, “el objetivo final va más allá de simplemente producir metanol; se trata de construir un futuro sostenible alimentado por muchos productos derivados del dióxido de carbono. La clave está en el desarrollo de catalizadores innovadores. Avanzando en la hidrogenación del dióxido de carbono, podemos reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente cuando usamos energía renovable para impulsar el proceso”.
Eso no significa que se trate de una solución mágica. Existen desafíos y compensaciones a considerar. Tanto si el dióxido de carbono proviene de la chimenea de una fábrica, como si es capturado directamente del aire, la tecnología utilizada para convertirlo y la aplicación final del producto como combustible pueden influir significativamente en la huella ambiental global.
Los autores del nuevo estudio han analizado los principales factores que influyen en la actividad de los catalizadores heterogéneos en la hidrogenación del dióxido de carbono para producir metanol. Los investigadores han determinado cuáles son las mejores estrategias para aumentar la estabilidad de los catalizadores y mejorar sus propiedades de hidrogenación.
Alternativas, como los catalizadores de paladio-indio, están siendo estudiadas, pero el costo todavía es un gran obstáculo.
A pesar de estos desafíos, los avances en el diseño de catalizadores y en las técnicas de análisis de materiales están abriendo el camino hacia un futuro energético más limpio, impulsado por la hidrogenación del dióxido de carbono.
“Todavía tenemos dificultades para comprender las reacciones a nivel molecular, y los mecanismos de desactivación de los catalizadores, como la sinterización, el envenenamiento y la formación de coque, no son bien comprendidos”, concluye Wojcieszak.
No obstante, los autores del estudio creen que son posibles avances futuros. El aumento del poder de cálculo en los ordenadores, especialmente con la inteligencia artificial y la computación cuántica, combinado con grandes cantidades de datos, permitirá realizar simulaciones más precisas y lograr una mejor comprensión del comportamiento de los catalizadores. Al mismo tiempo, nuevas técnicas de caracterización en tiempo real ofrecerán conocimientos más detallados sobre los sitios activos y los mecanismos de reacción.
El estudio se titula “Hydrogenation of CO2 for sustainable fuel and chemical production”. Y se ha publicado en la revista académica Science. (Fuente: FAPESP).
Sitio Fuente: NCYT de Amazings