Los químicos de la Universidad Northwestern se han inspirado en las plantas para revolucionar la forma en que se fabrica un importante producto químico industrial.

Por primera vez en el campo, el equipo de Northwestern usó luz y agua para convertir el acetileno en etileno, un químico muy valioso y ampliamente utilizado que es un ingrediente clave en los plásticos.

Si bien esta conversión generalmente requiere altas temperaturas y presiones, hidrógeno inflamable y metales costosos para impulsar la reacción, el proceso similar a la fotosíntesis de Northwestern es mucho menos costoso y consume menos energía. El nuevo proceso no solo es ecológico, sino que también funciona increíblemente bien:convierte con éxito casi el 100 % del acetileno en etileno.

"En la industria, este método requiere procesos intensivos en energía que necesitan altas temperaturas, una alimentación externa de gas de hidrógeno inflamable y materiales que contienen metales nobles, que son caros y difíciles de obtener", dijo Francesca Arcudi de Northwestern, coautora del estudio. . "Nuestra nueva estrategia resuelve todos estos problemas a la vez. Funciona con luz y agua en lugar de altas temperaturas e hidrógeno. Y en lugar de metales caros, usamos materiales naturalmente abundantes y económicos".

La estrategia resultante funcionó sorprendentemente bien. Mientras que el proceso industrial actual da como resultado una selectividad del 90 % para el etileno, el enfoque de Northwestern tiene una selectividad del 99 % para el etileno.

"Esto es importante porque es un producto químico de alto valor económico", dijo Luka Ðorđević de Northwestern, coautor del estudio. "Cuanto más puedas producir sin desperdiciar, mejor".

El estudio se publicará el jueves (9 de junio) en la revista Nature Chemistry. Es el primer informe de investigadores que usan luz para convertir acetileno en etileno.

Este documento es el resultado de una colaboración entre Emily Weiss y Samuel I. Stupp y su esfuerzo conjunto como parte del Centro para la ciencia de la energía bioinspirada (CBES) en Northwestern. Weiss, profesor de química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern, es el autor correspondiente del artículo. Arcudi es investigador postdoctoral en el laboratorio de Weiss. Ðorđević es becaria postdoctoral en el laboratorio de Stupp. Stupp es profesor de la Junta de Síndicos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica en Northwestern, con nombramientos en Weinberg College, la Escuela de Ingeniería McCormick y la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern.

"En CBES nos esforzamos por abordar los desafíos fundamentales inspirándonos en la naturaleza", dijo Stupp, director de CBES. "La vitamina B12, uno de los pocos cofactores organometálicos naturales, se utilizó en este documento como fuente de inspiración para diseñar nuestro catalizador".

Como precursor del 50-60% de todos los plásticos del mundo, el etileno es un producto de moda. Para satisfacer la demanda cada vez mayor de este valioso producto químico, la industria produce más de 200 millones de toneladas de etileno al año.

Para generar etileno, los químicos utilizan el craqueo al vapor, un método industrial que emplea vapor caliente para descomponer el etano en moléculas más pequeñas, que luego se destilan en etileno. Pero el producto químico resultante contiene una pequeña cantidad de acetileno, un contaminante que desactiva los catalizadores para evitar que el etileno se convierta correctamente en plástico. Antes de que el etileno pueda convertirse en plástico, el acetileno debe eliminarse o convertirse en etileno.

"La eliminación o conversión de acetileno para obtener etileno puro es un proceso bien conocido en la industria", dijo Weiss. "El proceso tiene muchos problemas, razón por la cual la comunidad científica ha estado tratando de proponer una alternativa a este proceso. Producir etileno de calidad polimérica a partir de dióxido de carbono como materia prima es una alternativa deseable, pero esta ruta aún no está lo suficientemente desarrollada. Nuestra estrategia es un primer y mayor paso hacia la producción de este importante producto químico con la menor huella de energía posible".

En particular, se necesita una cantidad increíble de energía para alcanzar las altas temperaturas y presiones requeridas para una reacción química exitosa. También requiere costosos catalizadores hechos de metales nobles, como el paladio. Y debido a que el proceso se basa en protones de hidrógeno, que se produce a partir de combustibles fósiles, genera grandes cantidades de dióxido de carbono.

La estrategia de Northwestern pasa por alto todos estos problemas. Para convertir el acetileno en etileno, los químicos de Northwestern reemplazaron el catalizador de paladio con cobalto, una alternativa menos costosa y más abundante. También utilizaron la temperatura ambiente y la presión ambiental. En lugar de calor, usaban luz visible. Y, finalmente, reemplazaron el hidrógeno con agua corriente como fuente de protones.

El estudio se titula "Fotocatálisis selectiva de luz visible de acetileno a etileno utilizando un catalizador molecular de cobalto y agua como fuente de protones". + Explora más

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