Un gas de efecto invernadero puede dar origen a combustibles sostenibles

Consorcio internacional de científicos presenta un panorama sobre el tema en un artículo publicado en la revista Science

Agência FAPESP* – Transformar la contaminación en combustible es el objetivo de un proceso denominado hidrogenación del dióxido de carbono (CO₂), que convierte el CO₂ –uno de los principales gases de efecto invernadero– en productos químicos y combustibles renovables. Uno de los productos más importantes es el metanol, un compuesto versátil utilizado en todo, desde plásticos hasta combustibles.

También es posible producir otros compuestos, como el metano, que puede inyectarse directamente en gasoductos de gas natural, además de hidrocarburos de cadenas mayores que pueden emplearse como gasolina o combustible para aviación. Esto abre la posibilidad de crear los llamados e-combustibles, alternativas sostenibles a los combustibles fósiles tradicionales.

Un consorcio internacional que contó con la participación de Liane Rossi, directora del Programa de Captura y Conversión de Carbono (CCU) del Centro de Investigación para la Innovación en Gases de Efecto Invernadero (RCGI) e investigadora del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, presenta un panorama sobre el tema en un artículo publicado en la revista Science.

El RCGI es un Centro de Investigación en Ingeniería (CPE, por sus siglas en portugués) constituido por FAPESP y Shell en la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), actualmente apoyado por diversas empresas.

“Necesitamos repensar nuestra relación con el dióxido de carbono”, defiende Robert Wojcieszak, investigador sénior del Centre National de la Recherche Scientifique, en Francia, y uno de los autores del artículo. “En lugar de verlo como un residuo, podemos capturar el CO₂ de fuentes industriales o incluso directamente del aire y utilizarlo como un valioso bloque de construcción de carbono.”

La superficie de las partículas catalíticas captura las moléculas de CO₂ e hidrógeno, debilitando los enlaces fuertes que las mantienen unidas. Esto permite que los átomos se reorganicen y formen nuevos enlaces, generando los productos deseados. Los científicos trabajan constantemente para desarrollar mejores catalizadores.

El artículo analizó el metanol como una solución verde para la aviación y el transporte marítimo. Desde la década de 1940 se ha utilizado el catalizador CuZnAl (CZA) para producir metanol. Se convirtió en el estándar de la industria debido a su eficiencia. Sin embargo, “al utilizar el CZA, el proceso catalítico presenta una peculiaridad: él prefiere una reacción diferente en lugar de convertir directamente el CO₂ en metanol. Esto significa que no utiliza el CO₂ de manera tan eficiente como nos gustaría”, explica Andrew Beale, profesor del University College London, en el Reino Unido, y coautor del artículo.

Otro problema del CZA es la agregación. Con el tiempo, las partículas catalíticas se agrupan, reduciendo su área de superficie activa y volviéndose menos eficaces. Nikolaos Dimitratos, profesor de la Universidad de Bolonia, en Italia, añade: “Los catalizadores que inicialmente son más activos [y generalmente contienen más cobre] también son los que se agregan más rápidamente.”

Así, aunque el CZA es un excelente catalizador, su rendimiento disminuye a lo largo del tiempo. Los científicos están en busca de catalizadores aún mejores, que puedan usar el CO₂ de manera más eficiente y que duren más tiempo. La hidrogenación del CO₂ puede proporcionar e-combustibles limpios para sectores difíciles de electrificar directamente, como la aviación y el transporte marítimo.

Nuevos catalizadores

El artículo destaca que los científicos están explorando nuevas formulaciones para catalizadores, y aquellos a base de óxido de indio están mostrando un gran potencial. Investigaciones recientes indican que más del 85 % de estos nuevos catalizadores pueden convertir CO₂ en metanol con una eficiencia superior al 50 %.

“La buena noticia es que la producción de metanol está mejorando cada vez más”, afirma Jingyun Je, profesor de la Duquesne University, en Estados Unidos. El catalizador más prometedor actualmente está compuesto por cobre, óxido de zinc, óxido de manganeso y un soporte especial llamado KIT-6. Este catalizador puede operar a una temperatura relativamente baja (180 °C) y transformar el CO₂ en metanol con alta eficiencia.

Sin embargo, como explica Rossi, “el objetivo final va más allá de simplemente producir metanol; se trata de construir un futuro sostenible alimentado por muchos productos derivados del CO₂. La clave está en el desarrollo de catalizadores innovadores. Avanzando en la hidrogenación del CO₂, podemos reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente cuando usamos energía renovable para impulsar el proceso.”

Eso no significa que se trate de una solución mágica. Existen desafíos y compensaciones a considerar. Ya sea que el CO₂ provenga de una fábrica o sea capturado directamente del aire, la tecnología utilizada para convertirlo y la aplicación final del producto como combustible pueden impactar significativamente la huella ambiental global.

Perspectivas

En el artículo, los científicos detallan los principales factores que influyen en la actividad de los catalizadores heterogéneos en la hidrogenación del CO₂ para producir metanol. Ellos destacan diferentes estrategias para aumentar la estabilidad de los catalizadores y mejorar sus propiedades de hidrogenación, recopilando los avances más significativos de los últimos cinco años, así como los desafíos para el desarrollo de formulaciones más eficientes. También se abordan aspectos históricos y mecanísticos de la hidrogenación del CO₂.

Alternativas, como los catalizadores de paladio-indio, están siendo estudiadas, pero el costo todavía es un gran obstáculo. A pesar de estos desafíos, los avances en el diseño de catalizadores y en las técnicas de análisis de materiales están abriendo el camino hacia un futuro energético más limpio, impulsado por la hidrogenación del CO₂.

“Todavía tenemos dificultades para comprender las reacciones a nivel molecular, y los mecanismos de desactivación de los catalizadores, como la sinterización, el envenenamiento y la formación de coque, no son bien comprendidos”, concluye Wojcieszak.

No obstante, los científicos creen que son posibles avances futuros. El aumento del poder de cómputo, especialmente con la inteligencia artificial y la computación cuántica, combinado con grandes volúmenes de datos, permitirá realizar simulaciones más precisas y lograr una mejor comprensión del comportamiento de los catalizadores. Al mismo tiempo, nuevas técnicas de caracterización en tiempo real ofrecerán conocimientos más detallados sobre los sitios activos y los mecanismos de reacción.

El artículo Hydrogenation of CO₂ for sustainable fuel and chemical production puede ser leído en: www.science.org/doi/10.1126/science.adn9388.

* Con informaciones del RCGI.