Investigadores de Caltech y la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) han presentado una forma prometedora de convertir de manera eficiente el dióxido de carbono en etileno.
Esta es una sustancia química importante que se utiliza para producir plásticos, disolventes, cosméticos y otros productos importantes a nivel mundial. Hasta ahora se obtiene de los hidrocarburos. Los científicos desarrollaron alambres de cobre a nanoescala con superficies de formas especiales para catalizar una reacción química que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero mientras genera etileno, una sustancia química valiosa simultáneamente.
Los estudios computacionales de la reacción muestran que el catalizador conformado favorece la producción de etileno sobre hidrógeno o metano. Un estudio que detalla el avance se publicó en Nature Catalysis. «Estamos al borde del agotamiento de los combustibles fósiles, junto con los desafíos del cambio climático global», dijo en un comunicado Yu Huang, coautor correspondiente del estudio y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UCLA.
«El desarrollo de materiales que puedan convertir de manera eficiente los gases de efecto invernadero en combustibles de valor agregado y materias primas químicas es un paso fundamental para mitigar el calentamiento global y, al mismo tiempo, evitar la extracción de combustibles fósiles cada vez más limitados. Este experimento integrado y análisis teórico presenta un camino sostenible hacia el reciclaje de dióxido de carbono y utilización», declaró.
Actualmente, el etileno tiene una producción anual global de 158 millones de toneladas. Gran parte de eso se convierte en polietileno, que se utiliza en envases de plástico. El etileno se procesa a partir de hidrocarburos, como el gas natural.
«La idea de utilizar cobre para catalizar esta reacción ha existido durante mucho tiempo, pero la clave es acelerar la velocidad para que sea lo suficientemente rápida para la producción industrial», dijo William A. Goddard III, coautor del estudio y profesor de Química, Ciencia de Materiales y Física Aplicada de Caltech. «Este estudio muestra un camino sólido hacia esa marca, con el potencial de transformar la producción de etileno en una industria más ecológica utilizando CO2 que de otro modo terminaría en la atmósfera».
El uso de cobre para iniciar la reducción de dióxido de carbono (CO2) en la reacción de etileno (C2H4) ha sufrido dos golpes en su contra. Primero, la reacción química inicial también produjo hidrógeno y metano, ambos indeseables en la producción industrial. En segundo lugar, los intentos anteriores que dieron como resultado la producción de etileno no duraron mucho, y la eficiencia de conversión disminuyó a medida que el sistema continuaba funcionando.
Para superar estos dos obstáculos, los investigadores se centraron en el diseño de los nanocables de cobre con «escalones» muy activos, similar a un conjunto de escaleras dispuestas a escala atómica. Un hallazgo intrigante de este estudio colaborativo es que este patrón de pasos a través de las superficies de los nanocables permaneció estable bajo las condiciones de reacción, contrariamente a la creencia general de que estas características de alta energía se suavizarían. Esta es la clave tanto para la durabilidad como para la selectividad del sistema en la producción de etileno, en lugar de otros productos finales.
El equipo demostró una tasa de conversión de dióxido de carbono a etileno de más del 70%, mucho más eficiente que los diseños anteriores, que produjeron al menos un 10% menos en las mismas condiciones. El nuevo sistema funcionó durante 200 horas, con pocos cambios en la eficiencia de conversión, un avance importante para los catalizadores a base de cobre. Además, la comprensión integral de la relación estructura-función ilustró una nueva perspectiva para diseñar catalizadores de reducción de CO2 altamente activos y duraderos en acción.
