Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y de ETH Zurich quieren hacer que las denominadas zeolitas sean más eficientes. Hoy dia, estos compuestos ya son aditivos indispensables en la industria química y se han utilizado como catalizadores en refinerías de petróleo desde la década de 1960. Ahora, en el diario Materiales de la naturaleza , los investigadores abogan por prestar más atención a las zeolitas clásicas. Estas, ellos afirman, incluso tendría el potencial de hacer posible una bioeconomía basada en recursos renovables.

Para transformar nuestra economía basada en combustibles fósiles en una bioeconomía sostenible, debemos reemplazar los recursos fósiles con materias primas renovables. Pero el petróleo el material de partida para numerosos productos de la industria química, no se puede cambiar simplemente por madera, maíz, y paja, ya que las plantas constan de tipos de moléculas completamente diferentes a las del "oro negro". Para impulsar automóviles y permitir la producción de una amplia gama de plásticos o medicamentos, Las materias primas renovables primero deben someterse a una conversión química. Aquí la ayuda es proporcionada por catalizadores, es decir, sustancias que provocan reacciones químicas o las hacen posibles en primer lugar.

Los catalizadores extremadamente prometedores para este propósito son las zeolitas, compuestos similares a andamios hechos de aluminio, oxígeno, y silicio. Las zeolitas se producen de forma natural, por ejemplo, como minerales en formaciones rocosas, o se producen sintéticamente. Se encuentran entre los catalizadores más importantes de la industria química. Desde la década de 1960, se han utilizado en refinerías de petróleo para craqueo, el proceso de dividir cadenas largas de hidrocarburos en cadenas más cortas. También se utilizan, por ejemplo, como ingredientes en detergentes, en procesos de ablandamiento de agua, y en sistemas de depósito de calor.

Las zeolitas facilitan la transición a una bioeconomía al hacer posible convertir la biomasa en moléculas que la industria necesita desesperadamente. Sin embargo:"En este punto, la investigación sobre zeolitas ha llegado a un callejón sin salida, "dice Vitaly Sushkevich, científico del Laboratorio de Catálisis y Química Sostenible de PSI. Junto con colegas de PSI y ETH Zurich, quiere sacar la investigación de la zeolita de este callejón sin salida.

No todo el aluminio es igual

El problema:desarrollar catalizadores para la bioeconomía, investigadores de todo el mundo están trabajando en zeolitas que también contienen estaño, titanio, o átomos de circonio. Sin embargo, su rendimiento no se puede incrementar más. Por lo tanto, el equipo de Sushkevich recomienda volver a las zeolitas clásicas, que solo están compuestos de silicio, aluminio, y oxigeno. "Son catalizadores muy eficientes, ", dice Sushkevich." Lo especial es que se pueden modificar y adaptar según sea necesario para fines específicos. Incluso puede catalizar varias reacciones químicas una tras otra ". En este caso, el producto deseado D se crea convenientemente a partir del material de partida A a través de los pasos intermedios B y C.

Los átomos de aluminio son un elemento importante de estas zeolitas. Originalmente, estos están firmemente anclados en el andamio de zeolita. A través de la calefacción y otros trucos, pueden ser liberados de este compuesto y así poder catalizar reacciones que son importantes para la bioeconomía.

El candidato a doctorado Manoj Ravi de ETH Zurich analizó la literatura sobre esto y encontró varias inconsistencias. "La forma en que los átomos de aluminio catalizan las reacciones es evidentemente mucho más complicada de lo que se pensaba anteriormente, ", dice. Por ejemplo, no todos los átomos de aluminio se liberan completamente del compuesto del andamio. En lugar de, tres tipos diferentes de átomos de aluminio coexisten en una zeolita de este tipo:los que todavía están atrapados en el andamio, los que están parcialmente desprendidos, y los que están completamente desapegados. "Es importante distinguir estos tres tipos entre sí y no agruparlos".

Entendiendo lo que esta pasando

PSI también sintetiza las propias zeolitas y analiza sus estructuras, por ejemplo, con la ayuda de Swiss Light Source SLS. "Las mediciones en grandes instalaciones de investigación y con otras tecnologías modernas nos ayudan a comprender mejor la estructura de los importantes centros activos, ", dice Sushkevich. Los centros activos son los sitios en un catalizador donde tiene lugar la reacción.

Este enfoque podría ser útil no solo con la transición a una bioeconomía, sino también en el procesamiento de recursos fósiles clásicos, agrega el químico.

El artículo se publicará el 21 de septiembre de 2020 en la revista Materiales de la naturaleza .