Deja que el sol haga su magia: Un revolucionario catalizador alimentado por la luz solar transforma el metano en valiosos productos químicos
Este hallazgo promueve procesos más sostenibles y eficientes en la industria química
En un esfuerzo concertado con colaboradores del University College de Londres, el profesor Zhengxiao GUO, del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU), y el profesor Junwang TANG, actualmente en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Tsinghua, han desarrollado conjuntamente un material catalítico altamente activo y selectivo que puede convertir eficazmente el metano, un potente gas de efecto invernadero, en formaldehído, un producto químico esencial, sin generar residuos.
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Este innovador material, derivado del trióxido de wolframio (catalizador WO3 ), presenta un sitio activo dual que comprende especies atómicas de cobre y wolframio que trabajan en tándem para garantizar un proceso de conversión eficaz y selectivo. El proceso de conversión puede alcanzar casi el 100% de selectividad bajo luz visible, lo que evita subproductos no deseados y aumenta la eficiencia, convirtiéndolo en una alternativa ecológica a los métodos de producción actuales. Los resultados acaban de publicarse en la revista Nature Communications.
Cambiar lo inalterado: conversión de metano
El metano, principal componente del gas natural, es una fuente de carbono muy utilizada para numerosos productos químicos. Sin embargo, también es un potente gas de efecto invernadero, con un potencial de calentamiento global más de 70 veces superior al del dióxido de carbono. Por tanto, la conversión catalítica del metano (conversión del metano en otros productos químicos) representa una gran oportunidad para conseguir suministros netos de energía y productos químicos y, al mismo tiempo, resolver los problemas medioambientales. Sin embargo, el metano es una molécula extremadamente estable, por lo que es resistente a la activación, especialmente en condiciones suaves o ambientales. La activación selectiva del enlace intermolecular carbono-hidrógeno suele ser considerada por muchos químicos como uno de los "santos griales" más difíciles de alcanzar en catálisis.
Por otra parte, el formaldehído es un producto químico básico de gran volumen con un valor de mercado de 8.000 millones de dólares, que crece a una tasa anual compuesta (TCAC) del 5,7%. Se utiliza en productos domésticos, comerciales, de aviación, médicos y de automoción, y es un valioso precursor de la melamina, la urea-formaldehído y las resinas fenólicas, entre otros. El formaldehído también se utiliza con seguridad en la fabricación de vacunas, medicamentos antiinfecciosos y cápsulas de gelatina dura. En la actualidad, se produce mediante la oxidación-deshidrogenación del metanol utilizando catalizadores de plata u óxidos metálicos a temperaturas de reactor elevadas, superiores a 500-600 °C, lo que provoca importantes emisiones de dióxido de carbono y penalizaciones energéticas.
Aprovechar la luz solar para convertir el metano
En su estudio, el equipo descubre una nueva forma de convertir el gas metano en formaldehído utilizando la luz solar. Descubrieron que una mezcla de cobre atómicamente disperso y especies de tungsteno parcialmente reducidas sobre óxido de tungsteno funcionaba realmente bien - el conjunto sinérgico permitía una excepcional conversión fotocatalítica de metano en formaldehído bajo luz visible ambiental. El proceso mostró una selectividad de casi el 100% y una alta eficiencia de conversión, superando significativamente a los fotocatalizadores descritos anteriormente (con una frecuencia de recambio, TOF = 8,5×106 μmol (HCHO)-g-1(cocatalizador)-h-1).
Mediante un análisis mecanicista, averiguaron que el cobre ayudaba a mover electrones y a crear especies moleculares reactivas, mientras que el tungsteno ayudaba a activar el gas metano. En concreto, el cobre actuó como aceptor de electrones y promovió la transferencia de electrones fotoinducida desde la banda de conducción al dioxígeno, generando radicales hidroperoxilo reactivos (HOO-). Mientras tanto, el átomo de tungsteno adyacente, que tenía una carga positiva parcial, funcionó como aceptores de huecos. El lugar preferido de adsorción y activación del agua produjo radicales hidroxilo y activó eficazmente el metano a radicales metilo. La sinergia de los sitios activos duales adyacentes mejora enormemente la eficacia y selectividad globales del proceso de conversión.
Este hallazgo allana el camino para seguir investigando y desarrollando nuevos foto-catalizadores para una gran variedad de conversiones químicas, promoviendo procesos más sostenibles y eficientes en la industria química.
La conversión solar del metano es muy deseable tanto para las síntesis químicas de bajo contenido en carbono como para las de alto valor añadido. Sin embargo, la selectividad del producto y la eficiencia de la producción son claves para el éxito. Para ello se requiere una comprensión profunda del mecanismo de conversión, un diseño cuidadoso del catalizador y técnicas complementarias para confirmar su rendimiento: un buen caso de tareas multidisciplinares que exigen una fuerte dedicación colaborativa. Eso es exactamente lo que el equipo ha conseguido hacer, ¡con un resultado de gran valor añadido!", comentó el profesor Zhengxiao GUO, uno de los autores correspondientes del artículo.
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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