Algunos de los sectores económicos más difíciles de descarbonizar se beneficiarían del surgimiento de catalizadores sustancialmente más eficientes involucrados en las reacciones químicas de conversión de energía. Un gran avance aquí podría depender del uso de pigmentos ampliamente utilizados en procesos biológicos integrados como catalizadores en estructuras moleculares novedosas y altamente porosas que actúan como esponjas.

En la revista Nano Research Energy se publicó un artículo que describe el estado actual de este campo y los desafíos a los que se enfrenta. el 29 de mayo.

En los últimos años, las porfirinas y las metaloporfirinas han desempeñado un papel cada vez más importante en la química biomimética, la utilización de la energía solar, la medicina y muchas otras aplicaciones. Pero se descubrió que el uso de porfirinas en reacciones de electrocatálisis y fotocatálisis, fundamentales para muchos procesos de conversión de energía útiles para la transición limpia, es inestable, se desactiva y es difícil de reciclar, lo que ha limitado el desarrollo futuro de estas tecnologías de conversión de energía.

Por lo tanto, los científicos han comenzado a considerar la integración de las porfirinas como ligandos orgánicos (el ion que se une a un átomo central de metal en una molécula compleja) en estructuras moleculares sintéticas conocidas como marcos organometálicos (MOF) y sus marcos orgánicos covalentes gemelos. (COF):conocidos como materiales de estructura a base de porfirina.

"En principio, esto debería ofrecer un excelente rendimiento de electrocatálisis y fotocatálisis, ya que las estructuras MOF y COF son fáciles de sintetizar y están altamente diseñadas, por lo que son mucho más controlables y estructuralmente estables", dijo Yusuke Yamauchi, coautor del artículo e investigador del Australian Instituto de Bioingeniería y Nanotecnología de la Universidad de Queensland.

"Los investigadores, que también están involucrados en el desarrollo de materiales de estructura basados ​​en porfirina, elaboraron un artículo de revisión que describe el estado actual de su campo. Dichos artículos de revisión son necesarios para que los campos jóvenes avancen, ya que aclaran la comprensión actual, analizan los avances y los desafíos. , identifica lagunas en la investigación e incluso puede ofrecer pautas para políticas y consejos sobre las mejores prácticas", Huan Pang, coautor del artículo e investigador de la Facultad de Química e Ingeniería Química de la Universidad de Yangzhou, China

El documento explora todas las aplicaciones actuales y potenciales de los catalizadores de material estructural a base de porfirina y descubre que sigue habiendo un gran potencial, pero el campo enfrenta varios desafíos.

En una economía de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero, no todo puede electrificarse, en particular el transporte pesado de larga distancia, por lo que será necesaria alguna forma de combustibles limpios, como hidrocarburos sintéticos neutros en carbono, amoníaco o hidrógeno. Todos estos combustibles implican la conversión de energía limpia, ya sea del sol, el viento, el agua o el uranio, en energía química transportable y estable. Parte de este proceso requiere la producción de hidrógeno limpio mediante el uso de electricidad, luz o calor para dividir el agua en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxígeno.

Los hidrocarburos se componen de diferentes proporciones de carbono e hidrógeno, de ahí el nombre. Por lo tanto, las versiones limpias y sintéticas que reemplazan a sus primos fósiles sucios requerirán extraer dióxido de carbono de la atmósfera y transformarlo en varias formas utilizables de carbono como insumo para casarse con el hidrógeno limpio. Atraer el carbono atmosférico y utilizarlo también se conoce como captura y utilización del carbono (CCU).

Todos estos procesos, y muchos otros involucrados en la transición limpia (el cambio de combustibles fósiles a tecnologías limpias), como el uso de celdas de combustible y la recolección de luz, son en efecto reacciones químicas que convierten la energía de una forma a otra, más utilizable. . Estas reacciones químicas requieren la adición de sustancias conocidas como catalizadores que aceleran la reacción. Algunos de esos catalizadores son extremadamente costosos, como el platino, o no son lo suficientemente eficientes para que el producto final compita con los combustibles fósiles, o generan sus propios desafíos ambientales.

Por lo tanto, la búsqueda de catalizadores más eficientes, más baratos y más limpios como la porfirina está en marcha.

El desarrollo de catalizadores de materiales de estructura basados ​​en porfirinas no preciosas eficientes para reemplazar los catalizadores de metales preciosos sigue siendo un obstáculo importante. Actualmente, el diseño y la construcción de bloques de porfirinas se basan principalmente en un diseño altamente simétrico, lo que limita la diversidad de familias de estructuras de porfirinas y afecta sus posibles aplicaciones catalíticas. Se deben considerar nuevas estructuras que emplean unidades de porfirina con diseño asimétrico para ampliar la utilidad de la sustancia.

El costo de preparar materiales de estructura de porfirina sigue siendo alto, por lo que es urgente que los ingenieros desarrollen nuevos métodos de síntesis si estos catalizadores se van a utilizar en aplicaciones industriales a gran escala. Reducir el número de pasos requeridos en la síntesis es una investigación importante, pero también es extremadamente difícil hacerlo.

Sin embargo, concluyen que si se superan tales desafíos, los materiales de estructura a base de porfirina podrían cambiar las reglas del juego en la comercialización de procesos de conversión de energía esenciales para algunos de los sectores que son los más difíciles de descarbonizar.

Las porfirinas son algunas de las sustancias más activas de la biología. Esta clase de pigmentos se implementa en una amplia gama de procesos vitales, desde la fotosíntesis hasta la respiración. Los derivados de estas moléculas en forma de anillo solubles en agua que se unen a los iones metálicos incluyen las clorofilas en las plantas y las hemoglobinas que transportan oxígeno en la sangre de los animales. También mejoran las actividades catalíticas de las enzimas en una variedad de otras reacciones químicas vitales. Las metaloporfirinas son de particular interés con respecto a la transición limpia debido a su papel como catalizadores en la división del agua para producir hidrógeno y oxígeno. + Explora más

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