Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de Carolina del Norte Chapel Hill (UNC) han demostrado la conversión selectiva de dióxido de carbono (CO2 ) en metanol usando una estrategia de reacción en cascada. El proceso de dos partes funciona con luz solar, ocurre a temperatura y presión ambiente y emplea un reactivo orgánico reciclable similar a un catalizador que se encuentra en la fotosíntesis natural.
"Nuestro enfoque es un paso importante hacia la búsqueda de una manera eficiente de convertir CO2 , un potente gas de efecto invernadero que plantea un desafío importante para la humanidad, en un combustible líquido fácilmente almacenable y transportable", afirmó el químico principal del Brookhaven Lab, Javier Concepción, autor principal del estudio.
La investigación se llevó a cabo como parte del Centro de Enfoques Híbridos en Energía Solar para Combustibles Líquidos (CHASE), un Centro de Innovación Energética con sede en la UNC. El estudio se publica como artículo de portada en el Journal of the American Chemical Society. .
La conversión de CO2 a temperatura ambiente en combustibles líquidos ha sido una búsqueda que ha durado décadas. Estas estrategias podrían ayudar a lograr ciclos energéticos neutros en carbono, especialmente si la conversión se realiza con luz solar. El carbono emitido como CO2 Al quemar moléculas de combustible de un solo carbono, como el metanol, se podrían reciclar para producir nuevo combustible sin agregar carbono nuevo a la atmósfera.
Metanol (CH3 OH) es un objetivo particularmente atractivo porque es un líquido que puede transportarse y almacenarse fácilmente. Además de su utilidad como combustible, el metanol sirve como materia prima clave en la industria química para fabricar moléculas más complejas. Además, debido a que el metanol contiene solo un átomo de carbono, como el CO2 , evita la necesidad de crear enlaces carbono-carbono, que requieren procesos que consumen mucha energía.
Sin embargo, los pasos clave involucrados en las reacciones necesarias para generar selectiva y eficientemente combustibles solares líquidos como el metanol aún no se conocen bien.
"Conversión de CO2 al metanol es muy difícil de lograr en un solo paso. Es energéticamente similar a escalar una montaña muy alta", dijo Concepción. "Incluso si el valle del otro lado está a menor altitud, llegar allí requiere un gran aporte de energía".
En lugar de intentar afrontar el desafío en una sola "escalada", el equipo de Brookhaven/UNC utilizó una estrategia en cascada (de varios pasos) que pasa por varios intermedios que son más fáciles de alcanzar.
"Imagínese escalar varias montañas más pequeñas en lugar de una grande y hacerlo a través de varios valles", dijo Concepción.
Los valles representan intermediarios de reacción. Pero incluso llegar a esos valles puede resultar difícil, ya que requiere el intercambio gradual de electrones y protones entre varias moléculas. Para reducir los requisitos energéticos de estos intercambios, los químicos utilizan moléculas llamadas catalizadores.
"Los catalizadores permiten llegar al siguiente valle a través de 'túneles' que requieren menos energía que escalar la montaña", dijo Concepción.
Para este estudio, el equipo exploró reacciones que emplean una clase de catalizadores llamados dihidrobencimidazoles. Se trata de hidruros orgánicos:moléculas que tienen dos electrones adicionales y un protón para "donar" a otras moléculas. Son económicos, sus propiedades pueden manipularse fácilmente y estudios previos han demostrado que pueden reciclarse, un requisito para un proceso catalítico.
Estas moléculas son similares en estructura y función a los cofactores orgánicos responsables de transportar y entregar energía en forma de electrones y protones durante la fotosíntesis natural.
"La fotosíntesis en sí es una cascada de muchos pasos de reacción que convierten el CO2 atmosférico , agua y energía lumínica en energía química en forma de carbohidratos (es decir, azúcares) que luego pueden metabolizarse para alimentar la actividad de los organismos vivos. Por lo tanto, nuestro enfoque de utilizar hidruros orgánicos biomiméticos para catalizar metanol como combustible líquido puede verse como un enfoque artificial para la fotosíntesis", dijo el coautor principal de la UNC, Renato Sampaio.
En el estudio, los químicos rompieron la conversión de CO2 en metanol en dos pasos:reducción fotoquímica de CO2 a monóxido de carbono (CO), seguido de transferencias secuenciales de hidruros de dihidrobencimidazoles para convertir el CO en metanol.
Su trabajo describe los detalles del segundo paso, a medida que la reacción avanza a través de una serie de intermediarios, incluido un monóxido de carbono unido a rutenio (Ru-CO 2+ ), un grupo rutenio formilo (Ru-CHO + ) resto, un rutenio hidroximetilo (Ru-CH2 OH + ) y, finalmente, la liberación de metanol inducida por la luz.
Si bien los dos primeros pasos de este esquema son "reacciones oscuras", el tercer paso que da como resultado metanol libre se inicia mediante la absorción de luz por parte del rutenio hidroximetilo (Ru-CH2 OH + ) complejo. El mecanismo propuesto por el cual esto ocurre es a través de una transferencia de electrones en estado excitado entre el Ru-CH2 OH + y una molécula de hidruro orgánico seguida rápidamente por una transferencia de protones molida que da como resultado la generación de metanol en solución.
"La naturaleza selectiva y de 'un solo recipiente' de esta reacción da como resultado la generación de concentraciones milimolares (mM) de metanol (el mismo rango de concentraciones que los materiales de partida) y evita complicaciones que han plagado esfuerzos anteriores para usar catalizadores inorgánicos para estos reacciones", dijo el coautor de la UNC y director de CHASE, Gerald Meyer. "Por lo tanto, este trabajo puede verse como un paso importante en el uso de catalizadores de hidruros orgánicos renovables para la búsqueda de décadas de producción catalítica de metanol a temperatura ambiente a partir de CO2. ."
Más información: Andressa V. Müller et al, Reducción de CO a metanol con hidruros orgánicos reciclables, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14605
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
