Todo, desde la producción de fertilizantes y plásticos, a los combustibles líquidos y los productos farmacéuticos requieren una reacción química importante conocida como hidrogenación. Este es un proceso que implica la adición de hidrógeno a enlaces químicos insaturados. Mejorar la tasa de hidrogenación puede generar mayores rendimientos para las industrias y menores impactos ambientales.

Ahora, un equipo de científicos, dirigido por el profesor asociado Yan Ning del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), ha ideado un método para aumentar la tasa de hidrogenación de etileno en más de cinco veces en comparación con las tasas industriales típicas.

El equipo logró esto utilizando un enfoque radicalmente diferente. A diferencia de la mayoría de los procesos de hidrogenación actuales que utilizan un catalizador sólido estático para acelerar la reacción, la técnica desarrollada por los investigadores de NUS aplica potenciales eléctricos oscilantes a un catalizador de hidrogenación comercial, que luego aumentó drásticamente la tasa de hidrogenación de etileno a etano.

"Estas mejoras en las velocidades o la selectividad de las reacciones químicas son fundamentales para hacer que un proceso químico sea más eficiente. Nuestro trabajo demuestra una forma más directa y rentable de optimizar el rendimiento del catalizador que va más allá de los métodos convencionales, "Assoc Prof Yan dijo.

El trabajo pionero del equipo se publicó en JACS Au el 14 de abril de 2021.

Mejora de la catálisis de hidrogenación con potenciales eléctricos oscilantes

La mayoría de los catalizadores de hidrogenación se han desarrollado durante muchos siglos, pero el desarrollo de nuevos catalizadores se ha limitado típicamente a enfoques de diseño de materiales convencionales. Algunos estudios han demostrado que la catálisis se puede promover aplicando potenciales eléctricos al catalizador. Si bien estos métodos ya han mejorado la selectividad y la actividad de catalizadores heterogéneos en condiciones estáticas, el uso de estímulos externos dinámicos ha sido poco explorado.

Los nuevos hallazgos del equipo de NUS ofrecen una herramienta de ingeniería avanzada que utiliza potenciales eléctricos oscilantes para promover la velocidad de las reacciones químicas sin el desarrollo de nuevos materiales catalíticos.

Lograr esto, el equipo de NUS llevó a cabo experimentos utilizando un catalizador de paladio comercial en un reactor electroquímico a escala de laboratorio, y observó una mejora de la velocidad de cinco veces en condiciones dinámicas óptimas. Se las arreglaron para correlacionar la mejora de la velocidad con la capacitancia de doble capa, un indicador de la intensidad del campo eléctrico local en la interfaz catalizador-electrolito, mediante el uso de diferentes soluciones de electrolitos. Las propiedades del catalizador cambiaron periódica y continuamente, que aceleró los pasos involucrados en la reacción de hidrogenación de etileno.

Los investigadores realizaron más experimentos cinéticos, lo que sugirió que la mejora podría estar relacionada con la eliminación parcial de hidrógeno fuertemente adsorbido de la superficie del catalizador a un potencial negativo, y la subsiguiente adsorción e hidrogenación de etileno a un potencial positivo.

Los hallazgos del equipo ilustran la viabilidad de usar potenciales oscilantes para mejorar la velocidad catalítica de una reacción de hidrogenación relativamente simple. Un enfoque similar podría ampliarse para controlar la actividad y selectividad de una amplia gama de reacciones catalíticas.

Próximos pasos

El equipo de NUS está realizando más estudios para mejorar su comprensión de los principios fundamentales detrás de su nueva técnica. También buscan desarrollar aún más su enfoque en una estrategia general para mejorar los catalizadores más allá de su 'óptimo estático'.