La quema de combustibles fósiles como el carbón y el gas natural libera carbono a la atmósfera como CO2, mientras que la producción de metanol y otros combustibles y productos químicos valiosos requiere un suministro de carbono. Actualmente no existe una forma económica o energéticamente eficiente de recolectar CO2 de la atmósfera y usarlo para producir químicos a base de carbono. pero los investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh acaban de dar un paso importante en esa dirección.

El equipo trabajó con una clase de nanomateriales llamados marcos metalorgánicos o "MOF, "que se puede utilizar para sacar el dióxido de carbono de la atmósfera y combinarlo con átomos de hidrógeno para convertirlo en valiosos productos químicos y combustibles. Karl Johnson, el profesor William Kepler Whiteford en el Departamento de Ingeniería Química y del Petróleo de la Escuela Swanson, lideró el grupo de investigación como investigador principal.

"Nuestro objetivo final es encontrar un MOF de bajo costo capaz de separar dióxido de carbono de una mezcla de gases y prepararlo para reaccionar con hidrógeno, "dice el Dr. Johnson." Encontramos un MOF que podía doblar ligeramente las moléculas de CO2, llevándolos a un estado en el que reaccionen con el hidrógeno más fácilmente ".

El Grupo de Investigación Johnson publicó sus hallazgos en la revista Royal Society of Chemistry (RSC) Ciencia y tecnología de catálisis (DOI:10.1039 / c8cy01018h). La revista incluyó su trabajo en su portada, que ilustra el proceso de las moléculas de dióxido de carbono e hidrógeno que entran en el MOF y salen como CH2O2 o ácido fórmico, un precursor químico del metanol. Para que ocurra este proceso, las moléculas deben superar un umbral de energía exigente llamado barrera de hidrogenación.

El Dr. Johnson explica, "La barrera de hidrogenación es la energía necesaria para agregar dos átomos de H al CO2, que transforma las moléculas en ácido fórmico. En otras palabras, es la energía necesaria para unir los átomos de H y las moléculas de CO2 para que puedan formar el nuevo compuesto. En nuestro trabajo anterior hemos podido activar H2 dividiendo dos átomos de H, pero no hemos podido activar el CO2 hasta ahora ".

La clave para reducir la barrera de hidrogenación fue identificar un MOF capaz de preactivar el dióxido de carbono. La preactivación consiste básicamente en preparar las moléculas para la reacción química colocándolas en la geometría correcta, la posición correcta, o el estado electrónico correcto. El MOF que modelaron en su trabajo logra la preactivación del CO2 colocándolo en una geometría ligeramente doblada que es capaz de aceptar los átomos de hidrógeno entrantes con una barrera más baja.

Otra característica clave de este nuevo MOF es que reacciona selectivamente con moléculas de hidrógeno sobre dióxido de carbono, para que los sitios activos no sean bloqueados por CO2. "Diseñamos un MOF que tiene un espacio limitado alrededor de sus sitios de unión para que no haya suficiente espacio para unir CO2, pero todavía hay mucho espacio para unir H2, porque es mucho más pequeño. Nuestro diseño garantiza que el CO2 no se una al MOF sino que sea libre de reaccionar con las moléculas de H que ya están dentro del marco. "dice el Dr. Johnson.

El Dr. Johnson cree que perfeccionar un solo material que pueda capturar y convertir CO2 sería económicamente viable y reduciría la cantidad neta de CO2 en la atmósfera. "Podría capturar CO2 de los gases de combustión en las centrales eléctricas o directamente de la atmósfera, ", dice." Esta investigación reduce nuestra búsqueda de un material muy raro con la capacidad de convertir una tecnología hipotética en un beneficio real para el mundo ".