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Conducta modelo: cómo pueden los catalizadores diseñados con precisión combatir el cambio climático

Convertir el dióxido de carbono y el hidrógeno renovable en compuestos químicos es un paso esencial para descarbonizar industrias como la farmacéutica y la de producción de plásticos, así como el transporte marítimo y aéreo.

Tecnologías industriales

El cambio hacia las energías renovables es un paso crucial para cumplir los objetivos climáticos de la Unión Europea a largo plazo. No obstante, los hidrocarburos líquidos, que suelen obtenerse a partir de combustibles fósiles, siguen siendo esenciales para el transporte marítimo y aéreo, además de ser una importante materia prima para fertilizantes, productos farmacéuticos y plásticos. Una solución es utilizar electricidad procedente de fuentes renovables para producir hidrógeno ecológico y luego combinarlo con dióxido de carbono para obtener hidrocarburos líquidos. Otra posibilidad es utilizar directamente la electricidad para convertir dióxido de carbono y agua en hidrocarburos. Efectuar este proceso a escala industrial también facilitará el transporte y el almacenamiento de la electricidad renovable. En el proyecto 3D Model Catalysts (3MC), financiado con fondos europeos, se exploró un sistema para crear catalizadores novedosos que posibilitaran esos procesos. «Necesitaremos obtener combustibles líquidos y componentes químicos de algún modo, incluso cuando ya no queramos derivarlos de los recursos fósiles», explica Petra de Jongh, coordinadora del proyecto 3MC. «Para orientarnos hacia estas nuevas técnicas, debemos diseñar catalizadores nuevos y eficientes que minimicen los materiales, el coste y la electricidad requeridos», afirma de Jongh, catedrática de Catalizadores y Materiales Energéticos del Instituto Debye, Universidad de Utrecht en los Países Bajos. «De este modo se facilita el proceso completo».

Catalizadores modelo

Muchos catalizadores consisten en un fino polvo metálico que se une a un sustrato de óxido para facilitar su manipulación, como los catalizadores a base de platino presentes en los tubos de escape de los automóviles. Sin embargo, las partículas de estos polvos se encuentran en un estado desordenado, lo que dificulta entender la forma de diseñar un catalizador óptimo. Para solucionarlo, de Jongh y su equipo se propusieron crear catalizadores «modelo» a partir de nanopartículas de cobre y otros metales incrustadas en sílice mesoporosa con una estructura, composición y geometría estrechamente controladas. «Contaban con una estructura muy uniforme y bien definida en 3D», añade de Jongh. «La fase activa de estos catalizadores son unas pequeñas nanopartículas, por lo que, junto a su composición, el tamaño de las partículas afecta en gran medida al rendimiento conseguido. Dos, tres, cuatro nanómetros suponen una gran diferencia». De Jongh y su equipo diseñaron una serie de catalizadores para la conversión tanto térmica como electroquímica del CO2, basándose en parámetros que, según su hipótesis, sería beneficioso ajustar. Los catalizadores se ensamblaron sintéticamente y luego se caracterizaron, con precisión atómica, para construir una idea clara de su estructura.

Ensayo industrial

Por último, se probaron los nuevos catalizadores en el laboratorio de de Jongh, que cuenta con varias instalaciones de pruebas que permiten simular condiciones industriales. De este modo se garantizó que los nuevos catalizadores pudieran rendir en situaciones reales. «Los catalizadores deben probarse a altas temperaturas, presiones elevadas y en flujos hidrodinámicos durante semanas», explica de Jongh. Su trabajo demostró que la metodología era una forma extremadamente robusta de generar conocimientos fundamentales y reglas de diseño básicas para nuevos catalizadores. Los obtenidos a través del proyecto 3MC se están estudiando actualmente para su aplicación industrial. «Creamos varios catalizadores, con nuevas distribuciones geométricas y atómicas, que funcionan mejor que los convencionales», señala de Jongh. «Por ejemplo, controlar la distribución atómica de los dos elementos en una nanopartícula puede conseguir que un catalizador sea cincuenta veces más activo con una misma composición». Este trabajo ha contado con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (CEI). «Este apoyo fue indispensable», afirma de Jongh. «Nos permitió construir este grupo, nuestro equipo e investigar este planteamiento. Es fabuloso ver que ahora hay grupos de todo el mundo que siguen nuestro ejemplo».

Palabras clave

3MC, catalizadores, sustancia química, clima, energía, modelo, electroquímica, conversión de CO2, geométrico, atómico

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