Los científicos resuelven el misterio de la catálisis para la producción ecológica de metanol a partir de dióxido de carbono
Vista en directo de la síntesis de metanol
Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Estocolmo ha podido estudiar por primera vez la superficie de un catalizador de cobre y zinc cuando el dióxido de carbono se reduce a metanol. Los resultados, obtenidos en la fuente de luz brillante PETRA III del DESY, se publican en la revista científica Science. Un mejor conocimiento del proceso catalítico de la síntesis de metanol y la posibilidad de encontrar materiales aún más eficientes abre la puerta a una transición verde en la industria química.
Imagen para iniciados: el gráfico muestra una superficie de cobre del catalizador cubierta con una pequeña cantidad de zinc, que se estudió durante la reacción de dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno a metanol mediante espectroscopia de fotoelectrones.
Stockholm University
El metanol -el alcohol más simple- es actualmente uno de los productos químicos básicos más importantes de la petroquímica, con una producción anual de 110 millones de toneladas. Puede convertirse en decenas de miles de productos diferentes y utilizarse para la fabricación de, por ejemplo, plásticos, detergentes, productos farmacéuticos y combustibles. El metanol también tiene el potencial de convertirse en un futuro portador de energía en el que, por ejemplo, el combustible de aviación puede producirse utilizando el dióxido de carbono capturado y el hidrógeno de la electrólisis del agua en lugar de utilizar el gas natural. Por tanto, es posible una futura transformación ecológica de la industria química, similar a la del acero ecológico, en la que la energía eólica o solar impulse las células electrolíticas.
La producción industrial de metanol tiene lugar en un proceso catalítico en el que una mezcla de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno (H2) reacciona hasta convertirse en metanol (CH3OH). El catalizador consiste en una mezcla de cobre, óxido de zinc y óxido de aluminio. Sin embargo, la función subyacente y el estado químico de los componentes del catalizador durante la reacción nunca se habían resuelto, hasta ahora. "El reto ha sido investigar experimentalmente la superficie del catalizador con métodos sensibles a la superficie en condiciones reales de reacción a presiones y temperaturas relativamente altas. Durante muchos años no se han podido alcanzar esas condiciones y surgieron diferentes hipótesis sobre la disponibilidad del zinc como óxido, metálico o en aleación con el cobre, pero no se pudieron verificar de forma inequívoca", afirma Anders Nilsson, profesor de Física Química de la Universidad de Estocolmo.
"Es fantástico que hayamos podido arrojar luz sobre este complejo tema de la formación de metanol sobre un catalizador de cobre y zinc después de muchos años de esfuerzo", afirma Peter Amann, primer autor de la publicación.
Los estudios se han realizado en la línea de luz P22 de PETRA III, dedicada a estudiar la estructura electrónica y atómica de superficies, interfaces y materiales a granel mediante espectroscopia de fotoelectrones. "Lo especial es que hemos construido en Estocolmo un instrumento de espectroscopia de fotoelectrones que permite estudiar las superficies de los catalizadores a altas presiones y, por tanto, observar directamente lo que ocurre cuando se produce la reacción", afirma David Degerman, estudiante de doctorado en Física Química de la Universidad de Estocolmo. "Hemos abierto una nueva puerta a la catálisis con nuestro nuevo instrumento".
"La combinación de los parámetros del haz de PETRA III con el innovador instrumento de espectroscopia permite realizar experimentos in-operando con catalizadores a presiones diez veces superiores a las de otras fuentes de luz de sincrotrón", afirma Christoph Schlueter, científico de la línea de haz de P22 de DESY.
"Hemos conseguido utilizar nuestro instrumento para demostrar que el zinc se alea con el cobre justo en la superficie y esto proporciona sitios atómicos especiales donde se crea metanol a partir de dióxido de carbono", dice Chris Goodwin, investigador de Física Química de la Universidad de Estocolmo. "Durante los procesos industriales, se mezcla una pequeña cantidad de monóxido de carbono, lo que impide la formación de óxido de zinc a partir del dióxido de carbono".
"Disponer de nuestro instrumento de Estocolmo en una de las fuentes de rayos X más brillantes del mundo en PETRA III, en el DESY de Hamburgo, ha sido crucial para llevar a cabo el estudio", afirma Patrick Lömker, postdoctoral de la Universidad de Estocolmo. "Ahora podemos imaginar el futuro con fuentes aún más brillantes cuando la máquina se actualice a PETRA IV".
En el estudio, los investigadores pudieron determinar diferentes comportamientos de la superficie del catalizador en función de la fracción de CO yCO2 en la mezcla de gases, un punto de partida para optimizar los catalizadores existentes o incluso encontrar otros mejores. "Ahora tenemos las herramientas para llevar a cabo investigaciones que conduzcan a otros posibles materiales catalizadores que puedan utilizarse mejor para encajar con el hidrógeno producido por electrólisis para la transición verde de la industria química, que hoy en día está completamente basada en los fósiles y representa el 8% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono", afirma Anders Nilsson.
El estudio ha sido realizado por una colaboración de la Universidad de Estocolmo con la Universidad de Innsbruck y la Universidad Técnica de Viena, el DESY y el Instituto Fritz-Haber de Berlín.
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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