Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio, junto a sus pares de la Universidad Hebrea, han demostrado que el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, se puede transformar de forma eficiente en metanol, un tipo de combustible líquido.
Durante años, los químicos han intentado convertir las moléculas de desechos en materiales de alto valor. Científicos de todo el mundo están investigando ahora formas de utilizar la electricidad para acelerar el proceso.
Para lograr esta operación, las moléculas de ftalocianina de cobalto (CoPc) se dispersaron uniformemente sobre nanotubos de carbono, que tienen características eléctricas especiales similares al grafeno. Una solución electrolítica cubrió su superficie, lo que permitió que las moléculas de CoPc absorbieran electrones y convirtieran el dióxido de carbono en metanol cuando se les enviaba una corriente eléctrica a través de ellas.
Los investigadores utilizaron espectroscopia in situ para visualizar el proceso químico y observaron que esas moléculas se transformaban en metanol o monóxido de carbono, que no es el producto deseado. Descubrieron que la ruta de reacción está determinada por el entorno en el que reacciona la molécula de dióxido de carbono.
Al ajustar este entorno mediante la manipulación de la distribución del catalizador CoPc en la superficie de los nanotubos de carbono, el dióxido de carbono tenía hasta ocho veces más probabilidades de producir metanol. Este descubrimiento podría aumentar la eficiencia de otros procesos catalíticos y tener un amplio impacto en otros campos.
Cuando se toma dióxido de carbono y se lo convierte en otro producto, se pueden crear muchas moléculas diferentes. El metanol es, sin duda, una de las más deseables porque tiene una densidad energética muy alta y se puede utilizar directamente como combustible alternativo.
Aunque transformar moléculas de desechos en sustancias químicas valiosas no es algo nuevo, los científicos no pudieron observar con frecuencia la reacción hasta hace poco, un conocimiento fundamental que les habría permitido refinar y mejorar el procedimiento.
Sin embargo, el equipo ha logrado avances significativos en la comprensión del intrincado proceso utilizando métodos especializados y modelos informáticos. El uso que hicieron los investigadores de una nueva forma de espectroscopia vibracional en este estudio les permitió ver cómo reaccionan las moléculas en la superficie.
Por sus características vibratorias, pudimos determinar que se trataba de la misma molécula en dos entornos de reacción diferentes. Pudimos correlacionar que uno de esos entornos de reacción era responsable de la producción de metanol, que es un valioso combustible líquido.
Una investigación más profunda también reveló que estas moléculas interactuaban directamente con partículas supercargadas conocidas como cationes, lo que aceleraba la síntesis de metanol.
Este descubrimiento es crucial para desarrollar un método más efectivo de producir metanol, pero se requiere más investigación para determinar qué más permiten estos cationes.
“Estamos viendo sistemas que son muy importantes y aprendiendo cosas sobre ellos que nos han hecho preguntarnos durante mucho tiempo. Comprender la química única que ocurre a nivel molecular es realmente importante para hacer posibles estas aplicaciones”.
Además de ser un combustible de bajo costo para vehículos como aviones, automóviles y buques de carga, el metanol creado a partir de electricidad renovable podría usarse para calefacción y generación de energía, así como para avanzar en futuros descubrimientos químicos.
Entre los autores del estudio se incluye a Conor L. Rooney y Hailiang Wang de la Universidad de Yale, Hadar Shema y Elad Gross de la Universidad Hebrea, y Christina Zeng y Julien A. Panetier de la Universidad de Binghamton son los otros autores del estudio.
El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Colaboración Internacional de la Fundación Binacional de Ciencias Estados Unidos-Israel (BSF).
Referencia:
Zhu, Q., et. al. (2024) The solvation environment of molecularly dispersed cobalt phthalocyanine determines methanol selectivity during electrocatalytic CO2 reduction. Nature Catalysis. doi:10.1038/s41929-024-01190-9
