La industria química se ha visto ensombrecida durante mucho tiempo por imágenes no deseadas de chimeneas ondulantes y tuberías que descargan efluentes tóxicos. Las prácticas de fabricación modernas han contribuido en gran medida a mitigar el impacto medioambiental de la industria, pero aún queda margen de mejora.

Hacer que la química sea más respetuosa con el medio ambiente es una pasión y un importante foco de investigación para Karthish Manthiram, profesor de ingeniería química y química de Caltech y becario William H. Hurt.

En un artículo que aparece en la revista Science , el laboratorio de Manthiram describe el desarrollo de un catalizador para producir una materia prima química ampliamente utilizada sin los químicos tóxicos y peligrosos que normalmente se requieren para su producción.

Esa materia prima química, el óxido de propileno, es un compuesto orgánico utilizado en una variedad de aplicaciones, incluida la fabricación de espumas, plásticos y anticongelantes, así como para desinfección y esterilización. Tradicionalmente, el óxido de propileno se produce haciendo reaccionar propileno con ácido hipocloroso o peróxido de hidrógeno. Cada uno tiene su propio inconveniente.

"Con el ácido hipocloroso, terminas con un producto secundario de cloruro que se descarga al medio ambiente. Por esa razón, cada vez se conceden menos permisos para permitir que las plantas utilicen el proceso del ácido hipocloroso", dice Manthiram. "Eso ha obligado a la gente a cambiar hacia procesos basados ​​en peróxido, pero existe un enorme desafío de seguridad. Cada vez que el peróxido de hidrógeno entra en contacto con compuestos orgánicos, existe un peligro inminente de explosión".

El objetivo del grupo era desarrollar un método seguro para la producción de epóxido de propileno que no produjera una descarga ambiental ni tuviera una gran huella de carbono. Manthiram dice que el equipo comenzó buscando un catalizador capaz de producir epóxido de propileno utilizando el átomo de oxígeno que se encuentra en una molécula de agua. El único producto secundario sería el gas hidrógeno, que puede usarse como combustible o en la fabricación de otros productos químicos.

"La premisa era que el agua es segura", afirma. "No presenta un riesgo de seguridad intrínseco y no hay ningún producto secundario dañino para el medio ambiente en el proceso. En lugar de eso, se produce hidrógeno, que es algo que debemos producir más en el futuro. Ahí es donde empezamos. "

El grupo se centró en dos catalizadores:óxido de platino y óxido de paladio. Ambos realizaron la reacción que el equipo quería, pero no lo suficientemente bien como para ser útiles. El óxido de platino produjo epóxido de propileno a altas tasas, pero de manera desordenada, creando muchos productos secundarios no deseados. Por el contrario, el óxido de paladio produjo epóxido de propileno con menos productos secundarios, pero lo hizo con bastante lentitud.

Manthiram dice que la solución fue combinar los dos catalizadores.

"Juntar los dos en realidad terminó resolviendo el problema", dice Minju Chung, autor principal y ex becario postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Georgia, ahora en el MIT. "Luego dedicamos mucho tiempo a comprender por qué esa mezcla funciona mejor. No es una explicación sencilla".

Utilizando espectroscopía de absorción de rayos X (una técnica que puede revelar la estructura atómica y electrónica de los materiales bombardeándolos con rayos X), los investigadores determinaron que en una mezcla de óxido de platino y óxido de paladio, el platino existe en un estado que hace es un catalizador más eficiente.

"Resulta que uno de los efectos más dramáticos de pasar del óxido de platino a paladio-óxido de platino es que se puede estabilizar el platino en un estado de oxidación más alto", dice Manthiram. "Cuando se encuentra en un estado de oxidación más alto, el oxígeno unido al platino está más privado de electrones, lo que lo hace más reactivo con el propileno rico en electrones. Vemos a través de toda una serie de experimentos que la estabilización del platino en un estado de oxidación más alto conduce a una reducción significativa tasas y eficiencias mejoradas de epoxidación de propileno."

Usando el nuevo catalizador, la tasa de producción de óxido de propileno es 10 veces mayor que la que se había logrado anteriormente, y la eficiencia aumenta en un 13 por ciento, afirma Manthiram.

Manthiram dice que la investigación futura se centrará en probar el catalizador para ver cómo se puede llevar desde un laboratorio a entornos industriales. Eso requerirá análisis que examinen cuánto dura el catalizador antes de degradarse y qué tan bien se desempeña a escalas mayores, así como el desarrollo de un proceso para eliminar el epóxido de propileno del sistema a medida que se produce.

"Es hora de graduar este material de este contexto científico fundamental", dice. "Esto va a ser realmente esclarecedor porque nos mostrará cuáles son las próximas cosas en las que deberíamos trabajar".

El artículo que describe el trabajo, "Exoxidación directa de propileno mediante activación con agua sobre electrocatalizadores de Pd-Pt", aparece en la edición del 4 de enero de Science. .

Más información: Minju Chung et al, Epoxidación directa de propileno mediante activación con agua sobre electrocatalizadores de Pd-Pt, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adh4355

Información de la revista: Ciencia

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California