Del gas climático a la materia prima
La DFG se centra en la química verde en condiciones fluctuantes
¿No sería una solución elegante: utilizar la sustancia más perjudicial para el clima y que más amenaza el futuro como materia prima de bienes económicos y artículos de uso cotidiano? De hecho, el dióxido de carbono (CO2), subproducto inevitable de la civilización, ya se utiliza en laboratorio para producir olefinas inferiores, alcoholes y combustibles en combinación con hidrógeno y otros reactivos químicos, todos ellos obtenibles de forma sostenible. Para que estos procesos se conviertan en una práctica industrial, deben poder funcionar en condiciones "fluctuantes". Un programa prioritario de la DFG está explorando los fundamentos para ello, y LIKAT está implicado.
"Fluctuante" significa que estos procesos también deben funcionar con suministros fluctuantes de energía y materiales de partida. Esto es nuevo para la química, pero no puede evitarse si en el futuro la energía, por ejemplo para la producción de hidrógeno por electrólisis, ha de proceder de fuentes renovables como el sol y el viento. Éstas no están disponibles de forma continua y tampoco en las noches sin viento.
Sin embargo, la influencia de las condiciones dinámicas en las reacciones químicas apenas se ha estudiado hasta ahora, como explican la Prof. Dra. Angelika Brückner y el Prof. Dr. Evgenii Kondratenko del Instituto Leibniz de Catálisis de Rostock. Su grupo de investigación participa en el programa de la DFG con trabajos sobre el desarrollo de catalizadores para la hidrogenación de CO2 a hidrocarburos superiores en condiciones fluctuantes.
De gas climático a materia prima
En el gran esquema de las cosas, el objetivo es sustituir el petróleo como materia prima base y, al mismo tiempo, ennoblecer un problemático gas residual, el dióxido de carbono, para convertirlo en materia prima. Pero el CO2 es un gas inerte y apenas reacciona por sí solo. Para obtener compuestos comercialmente útiles, especialmente materiales básicos para la síntesis química de productos valiosos, es necesario activar los enlaces carbono-oxígeno extremadamente estables del CO2. Esto se hace catalíticamente mediante hidrogenación, es decir, se añade hidrógeno, lo que puede producir una gran variedad de compuestos de hidrocarburos diferentes. Cuantos más átomos de carbono contengan en la molécula, mayor será su valencia.
Para el proceso, los químicos participantes en el programa de la DFG modificaron la llamada síntesis de Fischer-Tropsch, desarrollada hace casi cien años para la hidrogenación del monóxido de carbono (CO). Para ello, sustituyeron el CO, altamente tóxico, por CO2.
Cambios en el catalizador de hierro
La estructura y las propiedades del catalizador desempeñan un papel clave a la hora de determinar qué productos se forman durante la hidrogenación del CO2. En el caso de Angelika Brückner y Evgenii Kondratenko, se trata de un catalizador de hierro. Pero no todo el hierro es igual, afirman. Descubrieron que el catalizador cambia en la reacción en condiciones fluctuantes: Sigue formando nuevas "fases y especies" intermedias, dicen.
Para distinguir con precisión entre fases favorables y obstructivas, los investigadores observan el catalizador en funcionamiento, por así decirlo. Para ello utilizan métodos de análisis operando-espectroscópico muy específicos basados en luz infrarroja, ultravioleta y láser. Las muestras de catalizador son desarrolladas en parte por los propios investigadores y en parte obtenidas de su socio de investigación en la Universidad Humboldt de Berlín.
Desde el punto de vista catalítico, el hierro suele utilizarse en forma de óxidos, explica el profesor Kondratenko. "Pero nosotros preferimos obtener metano con él". Con la fórmula molecular CH4, el metano es el principal componente del gas natural y el hidrocarburo más simple. "Sin embargo, buscamos hidrocarburos de mayor valor, actualmente, por ejemplo, olefinas". Se trata de productos químicos básicos indispensables que pueden seguir refinándose químicamente.
Fase catalítica activa: Carburo de hierro
Los científicos de Rostock descubrieron que una fase en particular es crucial para la hidrogenación del CO2, en la que se forma carburo de hierro en la superficie del catalizador. Y aprendieron a estabilizar esta fase de carburo y evitar las fases interferentes. Por ejemplo, utilizando oxalato de hierro, una sal férrica del ácido oxálico (FeC2O4), en lugar del óxido de hierro habitual como material catalizador. El equipo ha publicado recientemente dos artículos sobre este tema en las revistas CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY y JOURNAL OF CATALYSIS.
Una tercera publicación del grupo, en ACS CATALYSIS, informa sobre el problema de la decreciente actividad del catalizador de hierro. Como causa, los químicos de Rostock descubrieron productos intermedios que se convierten en coque en determinadas circunstancias. Éste se deposita como una capa dura en la superficie del catalizador y oscurece las especies activas.
Visión: Economía circular del CO2
El programa prioritario 2080 de la DFG "Catalizadores y reactores en condiciones dinámicas de funcionamiento para el almacenamiento y la conversión de energía", en el que se desarrollan y aplican métodos de caracterización operando y se realizan cálculos teóricos y modelización cinética, se encuentra ahora en su segunda fase de financiación y contará con 428.700 euros hasta 2025 sólo para los trabajos en LIKAT. El coordinador del proyecto es el profesor Dr. Jan-Dierk Grunwaldt, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe.
Para futuras plantas, la visión sería convertir el dióxido de carbono justo donde se acumula en masa y utilizarlo como materia prima, dicen el Prof. Dr. Brückner y el Prof. Dr. Kondratenko. De acuerdo con los principios de la química verde y la economía circular, un proceso de este tipo sería especialmente adecuado en el entorno de los mayores emisores de CO2 en la actualidad, como la industria cementera, la producción siderúrgica y la propia industria química, donde el CO2 puede seguir transformándose con hidrógeno "verde" en valiosos hidrocarburos.
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.
Publicación original
Qingxin Yang, Henrik Lund, Stephan Bartling, Frank Krumeich, Andrey S. Skrypnik, Evgenii V. Kondratenko; "The role of Na for efficient CO2 hydrogenation to higher hydrocarbons over Fe-based catalysts under externally forced dynamic conditions"; Journal of Catalysis, Volume 426
Andrey S. Skrypnik, Henrik Lund, Qingxin Yang, Evgenii V. Kondratenko; "Spatial analysis of CO2 hydrogenation to higher hydrocarbons over alkali-metal promoted iron(
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