Desarrollan una nueva técnica para obtener insumos clave de la industria química sin emitir CO₂

Los investigadores producen peróxido a partir de oxígeno, utilizando la fotocatálisis para controlar el proceso

01.02.2023 - Brasil

Un estudio publicado en ACS Applied Materials & Interfaces, revista de la American Chemical Society, describe un novedoso método para producir peróxido de hidrógeno (_H2O2) sin emitir dióxido de carbono (_CO2), uno de los principales gases de efecto invernadero y una de las sustancias químicas más producidas en el mundo.

El peróxido de hidrógeno se utiliza para blanquear tejidos, pasta y papel, y para blanquear los dientes. También se utiliza como combustible de propulsores para controlar la actitud de los satélites y como desinfectante o agente esterilizante en los hospitales. Cada año se producen unos 2 millones de toneladas métricas de este compuesto.

"Para entender el impacto de nuestros hallazgos, es importante ante todo tener en cuenta la importancia del _H2O2 en la industria química y la forma en que se produce actualmente", afirma Ivo Freitas Teixeira, profesor de química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el estado brasileño de São Paulo. Tiene un doctorado en química inorgánica de la Universidad de São Paulo (USP) y fue becario Humboldt en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam, Alemania, entre 2019 y 2021.

"Todo este peróxido se produce mediante un proceso en el que interviene la antraquinona [un compuesto derivado de la hidrólisis del antraceno, una sustancia tóxica]. En este proceso, la antraquinona se reduce y luego se oxida para producir _H2O2. Los inconvenientes del método son el elevado coste de la antraquinona y el uso de metales preciosos, como el Pd [paladio], y _H2 [hidrógeno] como agentes reductores. Este hidrógeno se produce mediante reformado con vapor de metano, que implica altas temperaturas y libera_CO2, lo que contribuye al calentamiento global", explicó.

En el estudio, los investigadores produjeron peróxido a partir de oxígeno (_O2) utilizando la fotocatálisis para guiar el proceso. En la fotocatálisis, los catalizadores (sustancias que aceleran la reacción química) se activan mediante luz visible en lugar de altas temperaturas o presión. Otra ventaja de su método fue el uso de nitruro de carbono como fotocatalizador. Este material se compone únicamente de carbono y nitrógeno, ambos abundantes en la corteza terrestre, y puede activarse en la región visible, que corresponde aproximadamente al 45% del espectro solar. Por tanto, es probable que se pueda utilizar la luz solar en lugar de iluminación artificial, lo que haría el proceso más rentable.

Tras probar distintas condiciones de reacción, los investigadores llegaron a un sistema con una excelente tasa de producción de _H2O2. "Conseguimos reducir el _O2 mediante una ruta fotocatalítica en la que la fuente de hidrógeno era el agua del medio de reacción o el reactivo de sacrificio, normalmente glicerol, un subproducto de la producción de biodiésel", explicó Teixeira.

En este sistema, el nitruro de carbono se utiliza como semiconductor para separar cargas cuando se baña en luz, promoviendo reacciones de reducción y oxidación. El _O2 se reduce a _H2O2 y el reactivo de sacrificio (glicerol) se oxida. El _H2O2 se obtiene sin necesidad de utilizar _H2 y, por tanto, sin emisiones de_CO2.

"El camino que tuvimos que recorrer en nuestra investigación hasta llegar a los resultados descritos en el artículo publicado fue largo porque descubrimos que al mismo tiempo que se producía _H2O2 en la superficie del fotocatalizador, éste también podía degradarse", explica Teixeira. "Tuvimos que realizar varias pruebas y seguir modificando el fotocatalizador para favorecer la formación de _H2O2 y evitar su descomposición. Comprender el mecanismo por el que el _H2O ₂ se descompone en la superficie del nitruro de carbono fue sumamente importante para poder desarrollar el fotocatalizador ideal para esta reacción."

Teixeira dirige un equipo de investigación en la UFSCar que cuenta con el apoyo de la FAPESP. Es el último autor del artículo, que también firman Andrea Rogolino (Universidad de Padua, Italia); Ingrid Silva, Nadezda Tarakina y Markus Antonietti (Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, Alemania); y Marcos da Silva y Guilherme Rocha (UFSCar).

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