Mejores catalizadores para una bioeconomía sostenible
Sacar la investigación sobre la zeolita del callejón sin salida
Los investigadores del Instituto Paul Scherrer del PSI y del ETH Zurich quieren hacer más eficientes las llamadas zeolitas. Hoy en día, estos compuestos son ya aditivos indispensables en la industria química y se han utilizado como catalizadores en las refinerías de petróleo desde los años 60. Ahora, en la revista Nature Materials, los investigadores abogan por prestar más atención a las zeolitas clásicas. Éstas, afirman, tendrían incluso el potencial de hacer posible una bioeconomía basada en recursos renovables.
Vitaly Sushkevich (izquierda) y Manoj Ravi en el laboratorio de zeolita del PSI, sosteniendo un modelo de una zeolita estándar.
Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic
Para transformar nuestra economía basada en los combustibles fósiles en una bioeconomía sostenible, debemos sustituir los recursos fósiles por materias primas renovables. Pero el petróleo, la materia prima de numerosos productos de la industria química, no puede ser simplemente intercambiado por madera, maíz y paja, ya que las plantas están compuestas por tipos de moléculas completamente diferentes a las del "oro negro". Para impulsar los automóviles y permitir la producción de una amplia gama de plásticos o medicamentos, las materias primas renovables deben someterse primero a una conversión química. Aquí la ayuda la proporcionan los catalizadores, es decir, las sustancias que impulsan las reacciones químicas o que las hacen posibles en primer lugar.
Los catalizadores extremadamente prometedores para este propósito son las zeolitas, compuestos similares a un andamio hechos de aluminio, oxígeno y silicio. Las zeolitas se producen naturalmente - por ejemplo como minerales en formaciones rocosas - o se producen sintéticamente. Están entre los catalizadores más importantes de la industria química. Desde la década de 1960 se han utilizado en las refinerías de petróleo para el craqueo, el proceso de dividir las largas cadenas de hidrocarburos en otras más cortas. También se utilizan, por ejemplo, como ingredientes en detergentes, en procesos de ablandamiento de agua y en sistemas de depósitos de calor.
Las zeolitas facilitan la transición a una bioeconomía haciendo posible la conversión de biomasa en moléculas que la industria necesita desesperadamente. Sin embargo: "En este momento, la investigación sobre las zeolitas ha llegado a un callejón sin salida", dice Vitaly Sushkevich, un científico del Laboratorio de Catálisis y Química Sostenible de la PSI. Junto con sus colegas del PSI y del ETH Zurich, quiere sacar la investigación de la zeolita de este callejón sin salida.
No todo el aluminio es igual
El problema: Para desarrollar catalizadores para la bioeconomía, los investigadores de todo el mundo están trabajando en zeolitas que también contienen átomos de estaño, titanio o circonio. Sin embargo, su rendimiento no puede aumentar más. Por lo tanto, el equipo de Sushkevich recomienda volver a las zeolitas clásicas, que sólo están compuestas de silicio, aluminio y oxígeno. "Son catalizadores muy eficientes", dice Sushkevich. "Lo especial es que pueden ser modificados y adaptados según se requiera para propósitos específicos. Incluso se pueden catalizar varias reacciones químicas una tras otra." En este caso, el producto deseado D se crea convenientemente desde el material de partida A a través de los pasos intermedios B y C.
Los átomos de aluminio son un elemento importante de estas zeolitas. Originalmente, estos están firmemente anclados en el andamiaje de la zeolita. A través del calentamiento y otros trucos, pueden ser liberados de este compuesto y así ponerse en posición de catalizar reacciones que son importantes para la bioeconomía.
El candidato al doctorado Manoj Ravi de la ETH Zurich analizó la literatura sobre este tema y encontró varias inconsistencias. "La forma en que los átomos de aluminio catalizan las reacciones es evidentemente mucho más complicada de lo que se pensaba anteriormente", dice. Por ejemplo, no todos los átomos de aluminio se liberan completamente del compuesto del andamiaje. En cambio, tres tipos diferentes de átomos de aluminio coexisten en tal zeolita: los que están todavía atascados en el andamiaje, los que están parcialmente desprendidos y los que están completamente desprendidos. "Es importante distinguir estos tres tipos entre sí y no agruparlos".
Comprender lo que está sucediendo
La PSI también sintetiza las zeolitas por sí misma y analiza sus estructuras, por ejemplo con la ayuda de la Swiss Light Source SLS. "Las mediciones en grandes instalaciones de investigación y con otras tecnologías modernas nos ayudan a comprender mejor la estructura de los importantes centros activos", dice Sushkevich. Los centros activos son los sitios en un catalizador donde tiene lugar la reacción.
Este enfoque podría ser útil no sólo en la transición a una bioeconomía, sino también en el procesamiento de los recursos fósiles clásicos, añade el químico.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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