La captación de dióxido de carbono (CO2) y su conversión en sustancias químicas útiles como el metanol podrían reducir tanto la contaminación como nuestra dependencia de los productos derivados del petróleo. Por lo tanto, los científicos están intensamente interesados en los catalizadores que faciliten estas conversiones químicas.

Los catalizadores llevan los productos químicos reactivos juntos de una manera que hace que sea más fácil para ellos romper y reorganizar sus enlaces químicos. Entender los detalles de estas interacciones moleculares podría apuntar a estrategias para mejorar los catalizadores para reacciones más eficientes en energía.

Con ese objetivo en mente, químicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos y sus colaboradores acaban de hacer públicos los resultados de sus experimentos y estudios de modelos computacionales que identifican definitivamente el "sitio activo" de un catalizador comúnmente utilizado para producir metanol a partir de CO2. Los resultados, detallados en Science, resuelven un debate de larga duración sobre qué componentes catalíticos participan en las reacciones químicas y deben ser el foco de los esfuerzos para mejorar el rendimiento.

"Este catalizador, hecho de cobre, óxido de zinc y óxido de aluminio, se utiliza en la industria, pero no es muy eficiente o selectivo –explica el autor principal del estudio, Ping Liu, también miembro de la 'Stony Brook University' (SBU), en Estados Unidos–. Queremos mejorarlo y lograr que funcione a temperaturas más bajas y presiones más bajas, lo que ahorraría energía".

Pero antes de este estudio, diferentes grupos de científicos habían propuesto dos sitios activos diferentes para el catalizador: una parte del sistema con sólo átomos de cobre y zinc, o una porción con óxido de cobre y zinc. "Queríamos saber qué parte de la estructura molecular se une y se rompe y hace que los enlaces conviertan los reactivos en producto y cómo lo hace", dice el coautor José Rodríguez, otro químico de Brookhaven asociado a SBU.

Acelerar la transformación química

Para averiguarlo, Rodríguez realizó una serie de experimentos de laboratorio utilizando catalizadores modelo bien definidos, incluyendo uno hecho de nanopartículas de zinc sobre una superficie de cobre, y otro con nanopartículas de óxido de zinc sobre cobre. Para diferenciarlos, usó un rayo de rayos X energético y midió las propiedades de los electrones emitidos. Estas "firmas" electrónicas contienen información sobre el estado de oxidación de los átomos de los cuales provienen los electrones, ya sea de zinc o de óxido de zinc.

Mientras tanto Liu, Jingguang Chen, de Brookhaven Lab y Columbia University, y Shyam Kattel, el primer autor del estudio e investigador postdoctoral asesorado por Liu y Chen, utilizaron recursos computacionales del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN, por sus siglas en inglés) de Brookhaven y el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) –dos oficinas del Departamento de Energía– para modelar cómo estos dos tipos de catalizadores se involucrarían en las transformaciones de CO2 a metanol.

Estos estudios teóricos usan cálculos que tienen en cuenta los principios básicos de ruptura y formación de enlaces químicos, incluyendo la energía requerida, los estados electrónicos de los átomos y las condiciones de reacción, permitiendo a los científicos derivar las tasas de reacción y determinar qué catalizador ofrecerá la mejor tasa de conversión.

"Descubrimos que el óxido de zinc y el cobre deberían dar los mejores resultados y que ese zinc-cobre no es estable en las condiciones de reacción –apunta Liu–. De hecho, reacciona con el oxígeno y se transforma en óxido de cobre y zinc". Esas predicciones coincidían con lo observado por Rodríguez en el laboratorio. "Encontramos que todos los sitios participantes en estas reacciones eran óxido de zinc cobre", dice.

"En nuestras simulaciones, todos los intermedios de reacción –los químicos que se forman en el camino desde el CO2 hasta el metanol– se unen tanto al óxido de cobre como al óxido de zinc –subraya Kattel–. Así que hay una sinergia entre el cobre y el óxido de zinc que acelera la transformación química. Necesita tanto el cobre como el óxido de zinc".

La optimización de la interfaz cobre/óxido de zinc se convertirá en el principal impulsor para el diseño de un nuevo catalizador, dicen los científicos. "Este trabajo demuestra claramente la sinergia de la combinación de esfuerzos teóricos y experimentales para el estudio de sistemas catalíticos de importancia industrial –afirma Chen–. Seguiremos utilizando los mismos enfoques combinados en futuros estudios".