Encontrado: El "santo grial de la catálisis"

Transformación de metano en metanol en condiciones ambientales utilizando la luz

06.07.2022 - Estados Unidos

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por científicos de la Universidad de Manchester, ha desarrollado un método rápido y económico para convertir el metano, o gas natural, en metanol líquido a temperatura y presión ambiente. El método tiene lugar en flujo continuo sobre un material fotocatalítico que utiliza luz visible para impulsar la conversión.

Para ayudar a observar cómo funciona el proceso y cuán selectivo es, los investigadores utilizaron la dispersión de neutrones en el instrumento VISION de la Fuente de Neutrones por Espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

El método consiste en un flujo continuo de agua saturada de metano/oxígeno sobre un novedoso catalizador de marco metálico-orgánico (MOF). El MOF es poroso y contiene diferentes componentes que desempeñan cada uno un papel en la absorción de la luz, la transferencia de electrones y la activación y unión del metano y el oxígeno. El metanol líquido se extrae fácilmente del agua. Este proceso se ha considerado habitualmente "el santo grial de la catálisis" y es un área de interés para la investigación apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Los detalles de los hallazgos del equipo, titulados "Fotooxidación directa del metano a metanol sobre un sitio hidroxilo de hierro", se publican en Nature Materials.

Observación de una superficie catalítica bimetálica en acción

Esta información sobre los catalizadores en funcionamiento sólo puede obtenerse utilizando las técnicas experimentales más avanzadas en condiciones de reacción.

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El metano natural es un combustible abundante y valioso que se utiliza en hornos, calderas, calentadores de agua, hornos, automóviles y turbinas. Sin embargo, el metano también puede ser peligroso debido a la dificultad de extraerlo, transportarlo y almacenarlo.

El gas metano también es perjudicial para el medio ambiente cuando se libera o se filtra a la atmósfera, donde es un potente gas de efecto invernadero. Las principales fuentes de metano atmosférico son la producción y el uso de combustibles fósiles, la descomposición o la quema de biomasa, como los incendios forestales, los residuos agrícolas, los vertederos y el deshielo del permafrost.

El exceso de metano suele quemarse, o quemarse en antorcha, para reducir su impacto ambiental. Sin embargo, este proceso de combustión produce dióxido de carbono, que a su vez es un gas de efecto invernadero.

La industria lleva mucho tiempo buscando una forma económica y eficiente de convertir el metano en metanol, una materia prima muy comercial y versátil que se utiliza para fabricar diversos productos industriales y de consumo. Esto no sólo ayudaría a reducir las emisiones de metano, sino que también supondría un incentivo económico para hacerlo.

El metanol es una fuente de carbono más versátil que el metano y es un líquido fácilmente transportable. Puede utilizarse para fabricar miles de productos, como disolventes, anticongelantes y plásticos acrílicos; tejidos y fibras sintéticas; adhesivos, pintura y madera contrachapada; y agentes químicos utilizados en productos farmacéuticos y agroquímicos. La conversión del metano en un combustible de alto valor, como el metanol, también resulta más atractiva a medida que disminuyen las reservas de petróleo.

Romper el vínculo

Uno de los principales retos de la conversión del metano (CH4) en metanol (CH3OH) ha sido la dificultad de debilitar o romper el enlace químico carbono-hidrógeno (C-H) para insertar un átomo de oxígeno (O) y formar un enlace C-OH. Los métodos convencionales de conversión de metano suelen consistir en dos etapas, el reformado con vapor seguido de la oxidación del gas de síntesis, que son intensivas en energía, costosas e ineficientes, ya que requieren altas temperaturas y presiones.

El proceso rápido y económico de conversión de metano en metanol desarrollado por el equipo de investigación utiliza un material MOF multicomponente y luz visible para impulsar la conversión. Se hace pasar un flujo de agua saturada de CH4 y O2 a través de una capa de los gránulos de MOF mientras se expone a la luz. El MOF contiene diferentes componentes diseñados que se encuentran y se mantienen en posiciones fijas dentro de la superestructura porosa. Trabajan juntos para absorber la luz y generar electrones que pasan al oxígeno y al metano dentro de los poros para formar metanol.

"Para simplificar enormemente el proceso, cuando el gas metano se expone al material funcional MOF que contiene sitios de monohidroxilo, las moléculas de oxígeno activadas y la energía de la luz promueven la activación del enlace C-H del metano para formar metanol", explica Sihai Yang, profesor de química de Manchester y autor correspondiente. "El proceso es 100% selectivo -lo que significa que no hay ningún subproducto indeseable-, comparable a la monooxigenasa del metano, que es la enzima que existe en la naturaleza para este proceso".

Los experimentos demostraron que el catalizador sólido puede ser aislado, lavado, secado y reutilizado durante al menos 10 ciclos, o aproximadamente 200 horas de reacción, sin ninguna pérdida de rendimiento.

El nuevo proceso fotocatalítico es análogo al modo en que las plantas convierten la energía luminosa en energía química durante la fotosíntesis. Las plantas absorben la luz solar y el dióxido de carbono a través de sus hojas. A continuación, un proceso fotocatalítico convierte estos elementos en azúcares, oxígeno y vapor de agua.

"Este proceso ha sido calificado como el 'santo grial de la catálisis'. En lugar de quemar el metano, ahora puede ser posible convertir el gas directamente en metanol, un producto químico de gran valor que puede utilizarse para producir biocombustibles, disolventes, pesticidas y aditivos de combustible para vehículos", dijo Martin Schröder, vicepresidente y decano de la facultad de ciencias e ingeniería de Manchester y autor correspondiente. "Este nuevo material MOF también puede ser capaz de facilitar otros tipos de reacciones químicas al servir como una especie de tubo de ensayo en el que podemos combinar diferentes sustancias para ver cómo reaccionan".

Uso de neutrones para visualizar el proceso

"El uso de la dispersión de neutrones para tomar 'fotos' en el instrumento VISION confirmó inicialmente las fuertes interacciones entre el CH4 y los sitios de monohidroxilo en el MOF que debilitan los enlaces C-H", dijo Yongqiang Cheng, científico del instrumento en la Dirección de Ciencias de Neutrones del ORNL.

"VISION es un espectrómetro vibracional de neutrones de alto rendimiento optimizado para proporcionar información sobre la estructura molecular, el enlace químico y las interacciones intermoleculares", dijo Aníbal "Timmy" Ramírez Cuesta, que dirige el Grupo de Espectroscopia Química en el SNS. "Las moléculas de metano producen fuertes y características señales de dispersión de neutrones de su rotación y vibración, que también son sensibles al entorno local. Esto nos permite revelar de forma inequívoca las interacciones de debilitamiento de enlaces entre el CH4 y el MOF con técnicas avanzadas de espectroscopia de neutrones."

Rápido, económico y reutilizable

Al eliminar la necesidad de altas temperaturas o presiones, y utilizar la energía de la luz solar para impulsar el proceso de fotooxidación, el nuevo método de conversión podría reducir sustancialmente los costes de equipamiento y funcionamiento. La mayor velocidad del proceso y su capacidad para convertir el metano en metanol sin subproductos indeseables facilitará el desarrollo de un procesamiento en línea que minimice los costes.

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.