Del CO2 al acetaldehído: hacia una química industrial más ecológica
Este avance aborda dos problemas medioambientales a la vez
El acetaldehído es una sustancia química esencial que se utiliza para fabricar todo tipo de productos, desde perfumes hasta plásticos. En la actualidad, su producción depende en gran medida del etileno, un producto petroquímico. Pero la creciente preocupación por el medio ambiente está empujando a la industria química a reducir su dependencia de los combustibles fósiles, por lo que los científicos han estado buscando formas más ecológicas de producir acetaldehído.
Cedric David Koolen muestra un ejemplo de célula electroquímica utilizada en el Laboratorio de Materiales para Energías Renovables.
EPFL
Actualmente, el acetaldehído se produce mediante el llamado "proceso Wacker", un método de síntesis química que utiliza etileno de petróleo y gas natural con otros productos químicos como ácidos fuertes, es decir, ácido clorhídrico. El proceso Wacker no sólo tiene una gran huella de carbono, sino que consume muchos recursos y es insostenible a largo plazo.
Una solución prometedora a este problema es la reducción electroquímica del dióxido de carbono (CO2) en productos útiles. Dado que el CO2 es un residuo que contribuye al calentamiento global, este planteamiento aborda dos problemas medioambientales a la vez: reduce las emisiones de CO2 y crea productos químicos valiosos.
Un catalizador innovador para una mayor eficiencia
Los catalizadores a base de cobre han demostrado su potencial para esta transformación, pero hasta ahora han tenido problemas de baja selectividad, lo que significa que producen una mezcla de productos en lugar del acetaldehído deseado.
Ahora, científicos de un consorcio público-privado, dirigidos por Cedric David Koolen en el grupo de Andreas Züttel en la EPFL, Jack K. Pedersen en la Universidad de Copenhague y Wen Luo en la Universidad de Shanghai, han desarrollado un novedoso catalizador a base de cobre que puede convertir selectivamente el CO2 en acetaldehído con una impresionante eficacia del 92%.
El avance, publicado en Nature Synthesis, proporciona una forma más ecológica y sostenible de producir acetaldehído y podría sustituir al proceso Wacker. Además, el catalizador es escalable y rentable, lo que abre la puerta a aplicaciones industriales.
"El proceso Wacker no ha cambiado en los últimos 60 años. Sigue basándose en la misma química básica. Había llegado el momento de hacer un avance ecológico", afirma Koolen.
"Química fascinante
Los investigadores empezaron por sintetizar minúsculos grupos de partículas de cobre, cada uno de unos 1,6 nanómetros de tamaño, utilizando un método llamado ablación por chispa. Esta técnica consiste en vaporizar electrodos de cobre en un entorno de gas inerte, y permitió a los científicos controlar con precisión el tamaño de las partículas. A continuación, los grupos de cobre se inmovilizaron en soportes de carbono para crear un catalizador estable y reutilizable.
En el laboratorio, el equipo comprobó el rendimiento del catalizador sometiéndolo a una serie de reacciones electroquímicas con CO2 en un entorno controlado. Utilizando un sincrotrón -una instalación a gran escala que genera una fuente de luz muy brillante-, el equipo se aseguró de que las agrupaciones de cobre estaban convirtiendo activamente el CO2 en acetaldehído mediante una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X.
Los resultados fueron notables. Los clústeres de cobre alcanzaron una selectividad del 92% para el acetaldehído a un voltaje relativamente bajo, lo que es esencial para la eficiencia energética. En una prueba de estrés de 30 horas, el catalizador demostró una gran estabilidad, manteniendo su rendimiento a lo largo de múltiples ciclos. Los investigadores también descubrieron que las partículas de cobre conservaban su naturaleza metálica durante toda la reacción, lo que contribuye a la longevidad del catalizador.
"Lo que realmente nos sorprendió fue que el cobre siguiera siendo metálico, incluso después de retirar el potencial y exponerlo al aire", afirma Wen Luo, coautor principal". "El cobre suele oxidarse como un loco, sobre todo el cobre tan pequeño. Pero en nuestro caso, se formó una capa de óxido alrededor del cúmulo que protegía el núcleo de una mayor oxidación. Y esto explica la reciclabilidad del material. Una química fascinante".
Las claves del éxito
¿Por qué funcionó tan bien el nuevo catalizador? Las simulaciones computacionales demostraron que los clústeres de cobre presentan una configuración específica de átomos que favorece que las moléculas de CO2 se unan y se transformen de un modo que favorece la producción de acetaldehído frente a otros posibles productos, como etanol o metano.
"Lo bueno de nuestro proceso es que puede aplicarse a cualquier otro sistema catalizador", afirma el coautor principal Jack K. Pedersen. "Con nuestro marco computacional, podemos examinar rápidamente los clústeres en busca de características prometedoras. Si es para la reducción de CO2 o la electrólisis del agua, con la ablación por chispa podemos producir el nuevo material con facilidad y probarlo directamente en el laboratorio. Esto es mucho más rápido que el típico ciclo de prueba-aprendizaje-repetición".
El nuevo catalizador de cobre es un paso importante hacia una química industrial más ecológica. Si se amplía, podría sustituir al proceso de Wacker, reduciendo la necesidad de productos petroquímicos y las emisiones de CO2. Dado que el acetaldehído es un componente básico de muchos otros productos químicos, esta investigación tiene el potencial de transformar múltiples industrias, desde la farmacéutica hasta la agrícola.
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Publicación original
Cedric David Koolen, Jack Kirk Pedersen, Bernardus Zijlstra, Maximilian Winzely, Jie Zhang, Tobias V. Pfeiffer, Wilbert Vrijburg, Mo Li, Ayush Agarwal, Zohreh Akbari, Yasemen Kuddusi, Juan Herranz, Olga V. Safonova, Andreas Schmidt-Ott, Wen Luo, Andreas Zuettel; "Scalable synthesis of Cu-cluster catalysts via spark ablation for the electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde"; Nature Synthesis, 2025-1-3
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