Se descubrió que un mineral del suelo ampliamente distribuido, el oxihidróxido de hierro α(III), es un catalizador reciclable para la fotorreducción del dióxido de carbono a ácido fórmico. Crédito: Prof. Kazuhiko Maeda
La fotorreducción de CO2 a combustibles transportables como el ácido fórmico (HCOOH) es una buena manera de combatir el aumento de los niveles de CO2 en la atmósfera. Para ayudar en esta tarea, un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Tokio seleccionó un mineral a base de hierro fácilmente disponible y lo cargó sobre un soporte de alúmina para desarrollar un catalizador que puede convertir eficientemente el CO2 en HCOOH, ¡con una selectividad de aproximadamente el 90%!
Los vehículos eléctricos son una opción atractiva para muchas personas, y una razón clave es que no generan emisiones de carbono. Sin embargo, una gran desventaja para muchos es su escasa autonomía y los largos tiempos de carga. Aquí es donde los combustibles líquidos como la gasolina tienen una gran ventaja. Su alta densidad energética permite una mayor autonomía y un repostaje rápido.
Cambiar de gasolina o diésel a un combustible líquido diferente puede eliminar las emisiones de carbono manteniendo las ventajas de los combustibles líquidos. En una pila de combustible, por ejemplo, el ácido fórmico puede alimentar un motor liberando agua y dióxido de carbono. Sin embargo, si el ácido fórmico se produce reduciendo el CO2 atmosférico a HCOOH, entonces el único producto neto es agua.
El aumento de los niveles de dióxido de carbono en nuestra atmósfera y su contribución al calentamiento global son ya noticia habitual. A medida que los investigadores experimentaban con diferentes enfoques para abordar el problema, surgió una solución eficaz: convertir el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera en sustancias químicas ricas en energía.
La producción de combustibles como el ácido fórmico (HCOOH) mediante la fotorreducción de CO2 con luz solar ha atraído mucha atención recientemente porque el proceso tiene un doble beneficio: reduce el exceso de emisiones de CO2 y también ayuda a minimizar la escasez de energía que enfrentamos actualmente. Como excelente portador de hidrógeno con alta densidad energética, el HCOOH puede proporcionar energía a través de la combustión, liberando únicamente agua como subproducto.
Para hacer realidad esta lucrativa solución, los científicos han desarrollado sistemas fotocatalíticos que reducen el dióxido de carbono con la ayuda de la luz solar. Este sistema consta de un sustrato que absorbe la luz (es decir, un fotosensibilizador) y un catalizador que permite la transferencia de múltiples electrones necesaria para la reducción del CO2 a HCOOH. ¡Y así comenzó la búsqueda de catalizadores adecuados y eficientes!
Infografía sobre la reducción fotocatalítica del dióxido de carbono mediante compuestos de uso común. Crédito: Profesor Kazuhiko Maeda
Debido a su eficiencia y potencial reciclabilidad, los catalizadores sólidos se consideran los mejores candidatos para esta tarea, y a lo largo de los años se han explorado las capacidades catalíticas de muchos marcos metalorgánicos (MOF) basados ​​en cobalto, manganeso, níquel y hierro, entre los cuales este último tiene algunas ventajas sobre otros metales. Sin embargo, la mayoría de los catalizadores basados ​​en hierro reportados hasta ahora solo producen monóxido de carbono como producto principal, no HCOOH.
Sin embargo, este problema fue resuelto rápidamente por un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech), liderado por el profesor Kazuhiko Maeda. En un estudio reciente publicado en la revista química Angewandte Chemie, el equipo demostró un catalizador a base de hierro soportado en alúmina (Al2O3) utilizando oxihidróxido de hierro(III) α (α-FeO​​OH; goetita). El novedoso catalizador α-FeO​​OH/Al2O3 exhibe un excelente rendimiento de conversión de CO2 a HCOOH y una excelente reciclabilidad. Al ser consultado sobre su elección de catalizador, el profesor Maeda dijo: “Queremos explorar elementos más abundantes como catalizadores en sistemas de fotorreducción de CO2. Necesitamos un catalizador sólido que sea activo, reciclable, no tóxico y económico. Por eso elegimos minerales del suelo ampliamente distribuidos como la goetita para nuestros experimentos”.
El equipo empleó un método de impregnación sencillo para sintetizar su catalizador. Posteriormente, utilizaron materiales de Al2O3 soportados sobre hierro para reducir fotocatalíticamente el CO2 a temperatura ambiente en presencia de un fotosensibilizador a base de rutenio (Ru), un donador de electrones y luz visible con longitudes de onda superiores a 400 nanómetros.
Los resultados son muy alentadores. La selectividad de su sistema para el producto principal, HCOOH, fue del 80-90%, con un rendimiento cuántico del 4,3% (lo que indica la eficiencia del sistema).
Este estudio presenta un catalizador sólido a base de hierro, único en su tipo, capaz de generar HCOOH cuando se combina con un fotosensibilizador eficiente. También analiza la importancia de un material de soporte adecuado (Al2O3) y su efecto en la reacción de reducción fotoquímica.
Los resultados de esta investigación podrían ayudar a desarrollar nuevos catalizadores libres de metales nobles para la fotorreducción del dióxido de carbono a otros productos químicos útiles. "Nuestra investigación demuestra que el camino hacia una economía de energía verde no es complicado. Incluso los métodos sencillos de preparación de catalizadores pueden dar excelentes resultados, y es bien sabido que los compuestos abundantes en la Tierra, si se les da soporte con compuestos como la alúmina, pueden usarse como catalizadores selectivos para la reducción de CO2", concluye el profesor Maeda.
Referencias: “Oxihidróxido de alfa-hierro (III) soportado por alúmina como catalizador sólido reciclable para la fotorreducción de CO2 bajo luz visible” por Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 de mayo de 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
“Ahí es donde los combustibles líquidos como la gasolina tienen una gran ventaja. Su alta densidad energética permite largos recorridos y un repostaje rápido.”
¿Qué tal si ponemos algunos números? ¿Cómo se compara la densidad energética del ácido fórmico con la de la gasolina? Con solo un átomo de carbono en su fórmula química, dudo que se acerque siquiera a la de la gasolina.
Además, su olor es muy tóxico y, al ser un ácido, es más corrosivo que la gasolina. No se trata de problemas de ingeniería irresolubles, pero a menos que el ácido fórmico ofrezca ventajas significativas para aumentar la autonomía y reducir el tiempo de recarga de la batería, probablemente no merezca la pena el esfuerzo.
Si planearan extraer goetita del suelo, se trataría de una operación minera que consumiría mucha energía y que podría ser perjudicial para el medio ambiente.
Es posible que mencionen la presencia de mucha goetita en el suelo, ya que sospecho que se necesitaría más energía para obtener las materias primas necesarias y hacerlas reaccionar para sintetizar la goetita.
Es necesario analizar el ciclo de vida completo del proceso y calcular el coste energético de todo. La NASA no encontró ningún lanzamiento gratuito. Los demás deben tener esto en cuenta.
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