Mejorar las reacciones químicas industriales con mejores productos y menos subproductos

La fotocatálisis heterogénea puede ayudar a los científicos a controlar de forma sostenible los productos y subproductos de las reacciones químicas, incluida la reducción del CO₂

03.06.2022 - China

El control de los productos y subproductos de una reacción química se llama selectividad. Los científicos intentan encontrar mejores formas de controlar la selectividad en las reacciones químicas industriales para mejorar la calidad de los productos químicos, reducir los subproductos que se desperdician y reducir los subproductos nocivos, como la emisión de_CO2 inútil. Hay varios modos catalíticos que los científicos pueden utilizar en las reacciones químicas. Los modos catalíticos incluyen la catálisis heterogénea, la homogénea y la biológica, pero la catálisis heterogénea tiene muchas ventajas sobre las demás, porque puede funcionar de forma continua y es más fácilmente escalable. Los investigadores se propusieron averiguar si también puede ayudar a mejorar la selectividad en las reacciones químicas industriales.

Aplicando la fotocatálisis heterogénea, los investigadores demostraron que los productos y subproductos de las reacciones químicas podían controlarse de forma sostenible y sencilla. La fotocatálisis heterogénea es el uso de la luz en las reacciones químicas, donde el catalizador y el reactor se encuentran en fases diferentes. Esta técnica es especialmente interesante para los investigadores porque las condiciones requeridas son suaves.

La técnica y sus implicaciones para la selectividad en la síntesis orgánica se describen en un artículo publicado el 12 de mayo en Nanoinvestigación Energía.

"Independientemente de los tipos de sistemas catalíticos que se empleen, siempre predomina un indicador clave de evaluación, especialmente en el campo de la síntesis orgánica: la selectividad de los productos deseados. Una alta selectividad no sólo proporciona una gran pureza de los productos finales, sino que también reduce el coste de la eliminación de los subproductos", afirma el autor del artículo, Yitao Dai, profesor del Instituto de Investigación Avanzada de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Suzhou (China). "Por el contrario, la sobreoxidación o la sobrerreducción no deseadas dan lugar a productos de poco valor, a la deposición de coque o incluso a la mineralización con la emisión de_CO2 inútil. Por lo tanto, es un tema científico principal e importante en la química orgánica cómo controlar con precisión la selectividad".

Los investigadores demostraron cómo la fotocatálisis heterogénea puede mejorar diversas transformaciones orgánicas en todas las industrias. Por ejemplo, la industria de la pasta y el papel es un contaminante muy conocido y una de las causas de la contaminación es un subproducto llamado lignina. La industria de la pulpa y el papel produce anualmente unos 50 millones de toneladas de subproductos que contienen lignina y sólo el 2% de ellos puede recuperarse y utilizarse de nuevo. Los investigadores demostraron cómo la fotocatálisis heterogénea puede descomponer la lignina en condiciones suaves.

Reducir el coste medioambiental de las reacciones químicas industriales es un importante factor de motivación para este tipo de investigación. "Teniendo en cuenta el actual tema global de desarrollo en la reducción de_CO2 y la utilización de energía sostenible, la fotocatálisis heterogénea puede actuar como un protocolo prometedor para controlar la selectividad en las transformaciones orgánicas con un consumo de energía reducido", dijo Dai. "Permite la conversión sostenible de energía solar en química en condiciones suaves y ofrece vías de reacción únicas para mejorar el control de la selectividad". Una de las ventajas del uso de la fotocatálisis heterogénea son las condiciones suaves que pueden utilizarse para completar las reacciones químicas. Entre ellas, el uso de aire como oxidante, una temperatura ambiente suave y la utilización de la presión ambiental. Esto hace que sea una técnica más sencilla de utilizar en comparación con otras.

De cara al futuro, los investigadores están pensando en las implicaciones de la aplicación de esta técnica en general. El objetivo final de los investigadores es crear una planta fotosintética artificial. Esto permitiría la producción sostenible y continua de compuestos orgánicos mediante sistemas fotocatalíticos heterogéneos. Este método sería barato, eficaz y utilizaría la luz solar. Mientras tanto, sin embargo, hay que seguir investigando. "En el campo de la síntesis orgánica mediante fotocatálisis heterogénea, la investigación debe centrarse cada vez más en dos aspectos. En primer lugar, las reacciones existentes que suponen un reto. En segundo lugar, las nuevas reacciones orgánicas", dijo Dai. "Esperamos que el diseño de nuevas rutas de reacción basadas en las propiedades catalíticas de los fotocatalizadores pueda proporcionar una solución para algunas síntesis orgánicas bastante desafiantes, generando productos con alta regioselectividad o asimetría".

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