Las imágenes de un microscopio electrónico muestran nanocubos de cobre utilizados por los ingenieros de la Universidad de Rice para catalizar la transformación del monóxido de carbono en ácido acético. Crédito:Wang Group / Senftle Group / Rice University
Un nuevo proceso dulce está haciendo que el ácido sea más práctico.
Los ingenieros de Rice University están convirtiendo el monóxido de carbono directamente en ácido acético, el agente químico ampliamente utilizado que le da al vinagre su sabor, con un reactor catalítico continuo que puede usar electricidad renovable de manera eficiente para producir un producto altamente purificado.
El proceso electroquímico de los laboratorios de los ingenieros químicos y biomoleculares Haotian Wang y Thomas Senftle de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice resuelve problemas con los intentos anteriores de reducir el monóxido de carbono (CO) en ácido acético. Esos procesos requirieron pasos adicionales para purificar el producto.
El reactor ecológico utiliza cubos de cobre a nanoescala como catalizador principal junto con un electrolito de estado sólido único.
En 150 horas de funcionamiento continuo del laboratorio, el dispositivo produjo una solución que contenía hasta un 2% de ácido acético en agua. El componente ácido tenía una pureza de hasta el 98%, mucho mejor que el producido a través de intentos anteriores de catalizar el CO en combustible líquido.
Los detalles aparecen en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
Junto con el vinagre y otros alimentos, el ácido acético se utiliza como antiséptico en aplicaciones médicas; como disolvente de tinta, pinturas y revestimientos; y en la producción de acetato de vinilo, un precursor del pegamento blanco común.
Los ingenieros de la Universidad de Rice han desarrollado un reactor para producir ácido acético líquido directamente a partir del monóxido de carbono. El reactor utiliza un catalizador de nanocubos de cobre y un electrolito de estado sólido. Crédito:Ilustración de Peng Zhu / Rice University
El proceso de Rice se basa en el reactor del laboratorio Wang para producir ácido fórmico a partir de dióxido de carbono (CO 2 ). Esa investigación estableció una base importante para Wang, recientemente nombrado miembro de Packard, para ganar una subvención de $ 2 millones de la National Science Foundation (NSF) para continuar explorando la conversión de gases de efecto invernadero en combustibles líquidos.
"Estamos mejorando el producto de una sustancia química de un carbono, el ácido fórmico, a dos carbonos, que es más desafiante, Wang dijo. La gente tradicionalmente produce ácido acético en electrolitos líquidos, pero todavía tienen el problema del bajo rendimiento, además de separar el producto del electrolito ".
"El ácido acético normalmente no se sintetiza, por supuesto, de CO o CO 2 , ", Agregó Senftle." Esa es la clave aquí:estamos tomando los gases residuales que queremos mitigar y convirtiéndolos en un producto útil ".
Se necesitó un acoplamiento cuidadoso entre el catalizador de cobre y el electrolito sólido, este último se trasladó desde el reactor de ácido fórmico. "A veces, el cobre produce sustancias químicas a lo largo de dos vías diferentes, "Dijo Wang." Puede reducir el CO en ácido acético y alcoholes. Diseñamos cubos de cobre dominados por una faceta que puede ayudar a este acoplamiento carbono-carbono, con bordes que dirigen el acoplamiento carbono-carbono hacia el ácido acético en lugar de otros productos ".
Los modelos computacionales de Senftle y su equipo ayudaron a refinar el factor de forma de los cubos. "Pudimos mostrar que hay tipos de aristas en el cubo, básicamente superficies más onduladas, que facilitan la ruptura de ciertos enlaces C-O que dirigen los productos en un sentido u otro, ", dijo." Tener más sitios de borde favorece la ruptura de los lazos correctos en el momento adecuado ".
Senftle dijo que el proyecto fue una gran demostración de cómo la teoría y el experimento deberían combinarse. "Es un buen ejemplo de ingeniería en muchos niveles, desde la integración de los componentes en un reactor hasta el mecanismo a nivel atomístico, ", dijo." Encaja con los temas de la nanotecnología molecular, mostrando cómo podemos escalarlo a dispositivos del mundo real ".
El siguiente paso en el desarrollo de un sistema escalable es mejorar la estabilidad del sistema y reducir aún más la cantidad de energía que requiere el proceso. Dijo Wang.
Los estudiantes graduados de Rice Peng Zhu y Chun-Yen Liu y Chuan Xia, el becario postdoctoral J. Evans Attwell-Welch, son coautores principales del artículo.
