Los científicos pueden predecir y diseñar catalizadores de un solo átomo para reacciones químicas importantes
Utilizando cálculos fundamentales de las interacciones moleculares, crearon un catalizador con una selectividad del 100% en la producción de propileno
Investigadores de la Universidad de Tufts, el University College de Londres (UCL), la Universidad de Cambridge y la Universidad de California en Santa Bárbara han demostrado que un catalizador puede ser efectivamente un agente de cambio. En un estudio publicado en Science, utilizaron simulaciones químicas cuánticas ejecutadas en superordenadores para predecir una nueva arquitectura de catalizador, así como sus interacciones con determinados productos químicos, y demostraron en la práctica su capacidad para producir propileno -que actualmente escasea-, que es muy necesario en la fabricación de plásticos, tejidos y otros productos químicos. Las mejoras tienen potencial para una química más eficiente y "verde" con una menor huella de carbono.
Representación artística del proceso de deshidrogenación del propano que tiene lugar en el nuevo catalizador de aleación de un solo átomo, tal como predice la teoría. La imagen muestra el estado de transición obtenido a partir de un cálculo de química cuántica en un superordenador, es decir, la configuración molecular de máxima energía a lo largo de la trayectoria de la reacción.
Charles Sykes & Michail Stamatakis
La demanda de propileno es de unos 100 millones de toneladas métricas al año (con un valor de unos 200.000 millones de dólares), y en estos momentos no hay suficiente para satisfacer la creciente demanda. Junto con el ácido sulfúrico y el etileno, su producción supone el tercer proceso de conversión más importante de la industria química por su escala. El método más común para producir propileno y etileno es el craqueo al vapor, que tiene un rendimiento limitado al 85% y es uno de los procesos más intensivos en energía de la industria química. Las materias primas tradicionales para producir propileno son subproductos de las operaciones de petróleo y gas, pero el cambio al gas de esquisto ha limitado su producción.
Los catalizadores típicos utilizados en la producción de propileno a partir del propano que se encuentra en el gas de esquisto están formados por combinaciones de metales que pueden tener una estructura aleatoria y compleja a nivel atómico. Los átomos reactivos suelen estar agrupados de muchas formas diferentes, lo que dificulta el diseño de nuevos catalizadores para las reacciones, basándose en cálculos fundamentales sobre cómo podrían interactuar las sustancias químicas con la superficie catalítica.
En cambio, los catalizadores de aleación de un solo átomo, descubiertos en la Universidad de Tufts y publicados por primera vez en Science en 2012, dispersan átomos metálicos reactivos individuales en una superficie catalizadora más inerte, con una densidad de aproximadamente 1 átomo reactivo por cada 100 átomos inertes. Esto permite una interacción bien definida entre un solo átomo catalítico y el producto químico que se procesa, sin que se vea agravada por interacciones extrañas con otros metales reactivos cercanos. Las reacciones catalizadas por aleaciones de un solo átomo tienden a ser limpias y eficientes y, como se demuestra en el estudio actual, ahora son predecibles por métodos teóricos.
"Hemos dado un nuevo enfoque al problema utilizando cálculos de primeros principios realizados en superordenadores con nuestros colaboradores del University College de Londres y la Universidad de Cambridge, lo que nos ha permitido predecir cuál sería el mejor catalizador para convertir el propano en propileno", afirma Charles Sykes, catedrático John Wade del Departamento de Química de la Universidad de Tufts y autor correspondiente del estudio.
Estos cálculos, que condujeron a predicciones sobre la reactividad en la superficie del catalizador, se confirmaron mediante imágenes a escala atómica y reacciones ejecutadas en catalizadores modelo. A continuación, los investigadores sintetizaron catalizadores de nanopartículas de aleación de un solo átomo y los probaron en condiciones industriales relevantes. En esta aplicación concreta, los átomos de rodio (Rh) dispersos en una superficie de cobre (Cu) fueron los que mejor funcionaron para deshidrogenar propano y producir propileno.
"La mejora de los catalizadores heterogéneos de uso común ha sido en su mayor parte un proceso de ensayo y error", afirmó Michail Stamatakis, profesor asociado de ingeniería química de la UCL y coautor del estudio. "Los catalizadores de un solo átomo nos permiten calcular desde los primeros principios cómo interactúan las moléculas y los átomos entre sí en la superficie catalítica, prediciendo así los resultados de la reacción. En este caso, predijimos que el rodio sería muy eficaz a la hora de extraer los hidrógenos de moléculas como el metano y el propano, una predicción que iba en contra de la sabiduría común pero que, sin embargo, resultó ser increíblemente exitosa cuando se puso en práctica. Ahora tenemos un nuevo método para el diseño racional de catalizadores".
El catalizador de un solo átomo de Rh era muy eficiente, con una producción selectiva del 100% del producto propileno, en comparación con el 90% de los actuales catalizadores industriales de producción de propileno, donde la selectividad se refiere a la proporción de reacciones en la superficie que conducen al producto deseado. "Ese nivel de eficiencia podría suponer un gran ahorro de costes y la no emisión de millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera si es adoptado por la industria", afirma Sykes.
Los catalizadores de aleación de un solo átomo no sólo son más eficientes, sino que también tienden a llevar a cabo las reacciones en condiciones más suaves y a temperaturas más bajas, por lo que requieren menos energía para funcionar que los catalizadores convencionales. Su producción puede ser más barata, ya que sólo requieren una pequeña fracción de metales preciosos como el platino o el rodio, que pueden ser muy caros. Por ejemplo, el precio del rodio ronda actualmente los 22.000 dólares la onza, mientras que el cobre, que constituye el 99% del catalizador, cuesta sólo 30 céntimos la onza. Los nuevos catalizadores de aleación monoatómica de rodio y cobre también son resistentes a la coquización, un problema omnipresente en las reacciones catalíticas industriales en las que se acumulan productos intermedios con alto contenido en carbono -básicamente, hollín- en la superficie del catalizador y comienzan a inhibir las reacciones deseadas. Estas mejoras son una receta para una química más "verde" con una menor huella de carbono.
"Este trabajo demuestra además el gran potencial de los catalizadores de aleación de un solo átomo para resolver las ineficiencias de la industria de los catalizadores, lo que a su vez tiene grandes beneficios económicos y medioambientales", dijo Sykes.
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