Una técnica sencilla que utiliza pequeñas cantidades de energía podría aumentar la eficiencia de algunas reacciones clave de procesamiento químico hasta en un factor de 100.000, informan investigadores del MIT. Estas reacciones están en el corazón del procesamiento petroquímico, la fabricación farmacéutica y muchos otros procesos químicos industriales.

Los sorprendentes hallazgos se publican en la revista Science. , en un artículo del estudiante graduado del MIT Karl Westendorff, los profesores Yogesh Surendranath y Yuriy Roman-Leshkov, y otros dos.

"Los resultados son realmente sorprendentes", afirma Surendranath, profesor de química e ingeniería química. Aumentos de velocidad de esa magnitud se han observado antes, pero en una clase diferente de reacciones catalíticas conocidas como semirreacciones redox, que implican la ganancia o pérdida de un electrón. Las tasas dramáticamente aumentadas reportadas en el nuevo estudio "nunca se han observado en reacciones que no involucran oxidación o reducción", dice.

Las reacciones químicas no redox estudiadas por el equipo del MIT están catalizadas por ácidos. "Si eres un estudiante de primer año de química, probablemente el primer tipo de catalizador que conozcas sea un catalizador ácido", dice Surendranath. Hay cientos de reacciones catalizadas por ácido, "y son muy importantes en todo, desde el procesamiento de materias primas petroquímicas hasta la fabricación de productos químicos básicos y las transformaciones en productos farmacéuticos. La lista sigue y sigue".

"Estas reacciones son clave para fabricar muchos productos que utilizamos a diario", añade Roman-Leshkov, profesor de ingeniería química y química.

Pero las personas que estudian las semireacciones redox, también conocidas como reacciones electroquímicas, son parte de una comunidad de investigación completamente diferente a la de quienes estudian reacciones químicas no redox, conocidas como reacciones termoquímicas. Como resultado, aunque la técnica utilizada en el nuevo estudio, que implica la aplicación de un pequeño voltaje externo, era bien conocida en la comunidad de investigación electroquímica, no se había aplicado sistemáticamente a reacciones termoquímicas catalizadas por ácido.

Las personas que trabajan en catálisis termoquímica, dice Surendranath, "generalmente no consideran" el papel del potencial electroquímico en la superficie del catalizador, "y a menudo no tienen buenos métodos para medirlo. Y lo que este estudio nos dice es que relativamente pequeños cambios, del orden de unos pocos cientos de milivoltios, pueden tener enormes impactos:cambios de órdenes de magnitud en las velocidades de reacciones catalizadas en esas superficies".

"Este parámetro del potencial de la superficie que se pasa por alto es algo a lo que debemos prestar mucha atención porque puede tener un efecto realmente enorme", dice. "Cambia el paradigma de cómo pensamos sobre la catálisis".

Los químicos tradicionalmente piensan en la catálisis superficial basándose en la energía de unión química de las moléculas a los sitios activos de la superficie, lo que influye en la cantidad de energía necesaria para la reacción, afirma. Pero los nuevos hallazgos muestran que el entorno electrostático es "igualmente importante a la hora de definir la velocidad de la reacción".

El equipo ya ha presentado una solicitud de patente provisional sobre partes del proceso y está trabajando en formas de aplicar los hallazgos a procesos químicos específicos. Westendorff dice que sus hallazgos sugieren que "deberíamos diseñar y desarrollar diferentes tipos de reactores para aprovechar este tipo de estrategia. Y estamos trabajando ahora mismo para ampliar estos sistemas".

Si bien hasta ahora sus experimentos se realizaron con un electrodo plano bidimensional, la mayoría de las reacciones industriales se llevan a cabo en recipientes tridimensionales llenos de polvos. Los catalizadores se distribuyen a través de esos polvos, lo que proporciona mucha más superficie para que se produzcan las reacciones.

"Estamos analizando cómo se realiza actualmente la catálisis en la industria y cómo podemos diseñar sistemas que aprovechen la infraestructura ya existente", afirma Westendorff.

Surendranath añade que estos nuevos hallazgos "plantean posibilidades tentadoras:¿Es este un fenómeno más general? ¿El potencial electroquímico también juega un papel clave en otras clases de reacciones? En nuestra opinión, esto remodela la forma en que pensamos sobre el diseño de catalizadores y la promoción de su reactividad".

Roman-Leshkov añade que "tradicionalmente las personas que trabajan en catálisis termoquímica no asociarían estas reacciones con procesos electroquímicos en absoluto. Sin embargo, presentar esta perspectiva a la comunidad redefinirá cómo podemos integrar las características electroquímicas en la catálisis termoquímica. Tendrá un gran impacto sobre la comunidad en general."

Si bien generalmente ha habido poca interacción entre los investigadores de catálisis electroquímica y termoquímica, Surendranath dice:"Este estudio muestra a la comunidad que realmente hay una línea borrosa entre los dos y que existe una gran oportunidad en la fertilización cruzada entre estas dos comunidades. ."

Westerndorff añade que para que funcione, "hay que diseñar un sistema que sea bastante poco convencional para cualquiera de las comunidades para aislar este efecto". Y eso ayuda a explicar por qué nunca antes se había visto un efecto tan dramático. Señala que incluso el editor del periódico les preguntó por qué no se había informado antes de este efecto.

La respuesta tiene que ver con "cuán dispares eran esas dos ideologías antes de esto", dice. "No es sólo que las personas realmente no se hablen entre sí. Existen profundas diferencias metodológicas entre la forma en que las dos comunidades llevan a cabo experimentos. Y creemos que este trabajo es realmente un gran paso para unir las dos".

En la práctica, los hallazgos podrían conducir a una producción mucho más eficiente de una amplia variedad de materiales químicos, afirma el equipo. "Se obtienen cambios de velocidad de órdenes de magnitud con muy poca entrada de energía", dice Surendranath. "Eso es lo sorprendente de esto."

Los hallazgos, dice, "construyen una imagen más holística de cómo funcionan las reacciones catalíticas en las interfaces, independientemente de si se van a agrupar en la categoría de reacciones electroquímicas o reacciones termoquímicas". Añade que "es raro encontrar algo que realmente pueda revisar nuestra comprensión fundamental de las reacciones catalíticas de superficie en general. Estamos muy entusiasmados".

Más información: Karl S. Westendorff et al, La transferencia de protones impulsada eléctricamente promueve la catálisis ácida de Brønsted en órdenes de magnitud, Ciencia (2024). DOI:10.1126/science.adk4902. www.science.org/doi/10.1126/science.adk4902

Información de la revista: Ciencia

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.