La mayor fuente de consumo energético mundial es la fabricación industrial de productos como plásticos, planchar, y acero. La fabricación de estos materiales no solo requiere grandes cantidades de energía, pero muchas de las reacciones también emiten directamente dióxido de carbono como subproducto.

En un esfuerzo por ayudar a reducir este uso de energía y las emisiones relacionadas, Los ingenieros químicos del MIT han ideado un enfoque alternativo para sintetizar epóxidos, un tipo de químico que se utiliza para fabricar diversos productos, incluidos los plásticos, productos farmacéuticos, y textiles. Su nuevo enfoque, que usa electricidad para ejecutar la reacción, se puede hacer a temperatura ambiente y presión atmosférica mientras se elimina el dióxido de carbono como subproducto.

"Lo que no suele darse cuenta es que el uso de energía industrial es mucho mayor que el transporte o el uso residencial. Este es el elefante en la habitación, y ha habido muy poco progreso técnico en términos de poder reducir el consumo de energía industrial, "dice Karthish Manthiram, un profesor asistente de ingeniería química y el autor principal del nuevo estudio.

Los investigadores han solicitado una patente sobre su técnica, y ahora están trabajando para mejorar la eficiencia de la síntesis para que pueda adaptarse a gran escala, uso industrial.

El postdoctorado del MIT, Kyoungsuk Jin, es el autor principal del artículo, que aparece en línea el 9 de abril en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense . Otros autores incluyen a los estudiantes de posgrado Joseph Maalouf, Nikifar Lazouski, y Nathan Corbin, y el postdoctorado Dengtao Yang.

Productos químicos ubicuos

Epóxidos, cuya característica química clave es un anillo de tres miembros que consta de un átomo de oxígeno unido a dos átomos de carbono, se utilizan para fabricar productos tan variados como anticongelantes, detergentes, y poliéster.

"Es imposible pasar incluso un período corto de la vida sin tocar, sentir o usar algo que en algún momento de su historia haya involucrado un epóxido. Son ubicuos, ", Dice Manthiram." Están en tantos lugares diferentes, pero tendemos a no pensar en la energía incorporada y la huella de dióxido de carbono ".

Varios epóxidos se encuentran entre los productos químicos con las mayores huellas de carbono. La producción de un epóxido común, óxido de etileno, genera la quinta mayor emisión de dióxido de carbono de cualquier producto químico.

La fabricación de epóxidos requiere muchos pasos químicos, y la mayoría de ellos consumen mucha energía. Por ejemplo, la reacción utilizada para unir un átomo de oxígeno al etileno, produciendo óxido de etileno, debe realizarse a casi 300 grados centígrados y bajo presiones 20 veces superiores a la presión atmosférica. Es más, la mayor parte de la energía utilizada para impulsar este tipo de fabricación proviene de combustibles fósiles.

Añadiendo a la huella de carbono, la reacción utilizada para producir óxido de etileno también genera dióxido de carbono como subproducto, que se libera a la atmósfera. Otros epóxidos se fabrican utilizando un enfoque más complicado que involucra peróxidos peligrosos, que puede ser explosivo, e hidróxido de calcio, que puede causar irritación de la piel.

Para llegar a un enfoque más sostenible, el equipo del MIT se inspiró en una reacción conocida como oxidación del agua, que usa electricidad para dividir el agua en oxígeno, protones, y electrones. Decidieron intentar realizar la oxidación del agua y luego unir el átomo de oxígeno a un compuesto orgánico llamado olefina, que es un precursor de los epóxidos.

Este fue un enfoque contrario a la intuición, Manthiram dice:porque las olefinas y el agua normalmente no pueden reaccionar entre sí. Sin embargo, pueden reaccionar entre sí cuando se aplica un voltaje eléctrico.

Para aprovechar esto, el equipo del MIT diseñó un reactor con un ánodo donde el agua se descompone en oxígeno, iones de hidrógeno (protones), y electrones. Las nanopartículas de óxido de manganeso actúan como catalizador para ayudar a esta reacción, e incorporar el oxígeno en una olefina para hacer un epóxido. Los protones y electrones fluyen hacia el cátodo, donde se convierten en gas hidrógeno.

Termodinámicamente, esta reacción solo requiere alrededor de 1 voltio de electricidad, menor que el voltaje de una batería AA estándar. La reacción no genera dióxido de carbono, y los investigadores anticipan que podrían reducir aún más la huella de carbono mediante el uso de electricidad de fuentes renovables como la solar o la eólica para impulsar la conversión de epóxido.

Ampliar

Hasta aquí, los investigadores han demostrado que pueden utilizar este proceso para crear un epóxido llamado óxido de cicloocteno, y ahora están trabajando para adaptarlo a otros epóxidos. También están tratando de hacer que la conversión de olefinas en epóxidos sea más eficiente; en este estudio, aproximadamente el 30 por ciento de la corriente eléctrica se destinó a la reacción de conversión, pero esperan duplicar eso.

Estiman que su proceso, si se amplía, podría producir óxido de etileno a un costo de $ 900 por tonelada, en comparación con $ 1, 500 por tonelada utilizando los métodos actuales. Ese costo podría reducirse aún más a medida que el proceso se vuelva más eficiente. Otro factor que podría contribuir a la viabilidad económica de este enfoque es que también genera hidrógeno como subproducto, que es valioso por derecho propio para alimentar pilas de combustible.

Los investigadores planean continuar desarrollando la tecnología con la esperanza de comercializarla eventualmente para uso industrial. y también están trabajando en el uso de electricidad para sintetizar otros tipos de sustancias químicas.

"Hay muchos procesos que tienen una enorme huella de dióxido de carbono, y la descarbonización puede ser impulsada por la electrificación, ", Dice Manthiram." Se puede eliminar la temperatura, eliminar la presión, y use voltaje en su lugar ".