Utilizar el dióxido de carbono como materia prima

Los químicos de la TU Berlín dirigidos por el Prof. Dr. Peter Strasser del departamento de "Electroquímica Catalítica y Materiales" se inspiraron en la biocatalisis para desarrollar un nuevo catalizador para la reducción de dióxido de carbono.

El dióxido de carbono (CO2) es ampliamente conocido como un gas de escape dañino para el clima. La pregunta recurrente es si y cómo se podría utilizar este gas también como materia prima. Un tema que, entre otras cosas, interesa a industrias que necesitan grandes cantidades de monóxido de carbono (CO) para la producción de polietercarbonato o poliuretano. Se trata de plásticos termoplásticos que, por ejemplo, se utilizan en la fabricación de CDs, gafas y lentes protectores (policarbonato) o espumas, tableros de instrumentos y espumación (poliuretano).

“El monóxido de carbono necesario en el proceso de producción se obtiene hasta ahora del metano, un combustible fósil”, explica el Prof. Dr. Peter Strasser de la TU Berlín. “Un proceso que no solo consume combustibles fósiles, sino que además genera dióxido de carbono. La pregunta era si es imprescindible obtener el monóxido de carbono del metano o si también existe una forma efectiva de obtenerlo a partir del CO2. La respuesta es: sí, electroquímicamente es posible, y actualmente se investiga intensamente este proceso, también con socios industriales como la empresa Covestro. El problema: el mejor catalizador conocido hasta ahora para esta electrólisis sigue siendo relativamente inespecífico y además requiere oro o plata en su centro activo, lo que lo hace bastante costoso.”

En un proyecto conjunto financiado por Horizon2020, la grupo de trabajo de la Universidad Técnica de Dresde, la Universidad de Ruhr en Bochum, la Universidad de Copenhague y la TU Berlín, como líder del consorcio, ha desarrollado un catalizador bioinspirado cuyo centro activo se asemeja al centro activo de la hemoglobina, el llamado porfirino. Este contiene en su centro activo cuatro átomos de nitrógeno y en el medio un átomo de metal. Precisamente este centro activo fue fabricado como sólido. Ya existían predicciones teóricas de que estos llamados motivos de porfirina no solo podrían reducir oxígeno electroquímicamente, sino también convertir muy selectivamente dióxido de carbono en monóxido de carbono. Uno de los pocos subproductos es, por ejemplo, hidrógeno. La función clave la desempeña el metal central, que se une a la molécula de CO2 y la transforma en monóxido de carbono a través de varias etapas intermedias. La eficacia en la producción de CO depende en gran medida del metal en el centro activo del catalizador.

“Hemos investigado, entre otros, níquel y hierro como átomos centrales en el catalizador. El níquel, por ejemplo, es un derivado particularmente interesante porque solo une débilmente el monóxido de carbono y lo libera fácilmente como gas. Si el centro activo contiene hierro, la producción de monóxido de carbono al principio es mayor que con níquel, pero el CO se une mucho más firmemente. Como consecuencia, el catalizador se bloquea mucho más rápido. Comparando diferentes derivados del catalizador, pudimos demostrar que, al menos en laboratorio, un catalizador basado en carbono con un 99 por ciento de contenido de carbono y con níquel en su centro activo produce monóxido de carbono de manera más efectiva y selectiva a partir de dióxido de carbono que los catalizadores de oro y plata conocidos”, explica Peter Strasser los resultados de los experimentos.

Mientras que estos catalizadores se estudiaron hasta ahora en laboratorio, ahora se fabrican en gramos y se prueban en una pequeña planta de prueba en el socio industrial Covestro.

Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2
Wen Ju, Alexander Bagger, Guang-Ping Hao, Ana Sofia Varela, Ilya Sinev, Volodymyr Bon, Beatriz Roldan Cuenya, Stefan Kaskel, Jan Rossmeisl & Peter Strasser
Nature Communications 8, Número de artículo: 944(2017), DOI:10.1038/s41467-017-01035-z