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Ingenieros de la Universidad Rice están convirtiendo directamente el monóxido de carbono en ácido acético (un producto químico muy utilizado que le da al vinagre un sabor fuerte) mediante un reactor catalítico continuo, que puede utilizar eficientemente electricidad renovable para producir productos altamente purificados.
El proceso electroquímico desarrollado en el laboratorio de ingeniería química y biomolecular de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad Rice ha resuelto el problema de los intentos anteriores de reducir el monóxido de carbono (CO) a ácido acético. Estos procesos requerían pasos adicionales para purificar el producto.
Este reactor ecológico utiliza cobre cúbico nanométrico como catalizador principal y un electrolito sólido único.
En 150 horas de funcionamiento continuo en laboratorio, el contenido de ácido acético en la solución acuosa producida por este equipo alcanzó hasta un 2 %. La pureza del componente ácido es de hasta un 98 %, lo que supone una mejora considerable respecto al componente ácido obtenido en los primeros intentos de convertir catalíticamente el monóxido de carbono en combustible líquido.
El ácido acético se utiliza como conservante en aplicaciones médicas, al igual que el vinagre y otros alimentos. Se emplea como disolvente para tintas, pinturas y recubrimientos; en la producción de acetato de vinilo, este último es el precursor del pegamento blanco común.
El proceso Rice se basa en un reactor en el laboratorio de Wang y produce ácido fórmico a partir de dióxido de carbono (CO2). Esta investigación sentó una base importante para Wang (recientemente nombrado becario Packard), quien recibió una subvención de 2 millones de dólares de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para seguir explorando formas de convertir los gases de efecto invernadero en combustibles líquidos.
Wang declaró: “Estamos mejorando nuestros productos, pasando del ácido fórmico, una sustancia química de un átomo de carbono, a una sustancia química de dos átomos de carbono, lo cual supone un mayor desafío”. “Tradicionalmente, el ácido acético se produce en electrolitos líquidos, pero su rendimiento sigue siendo deficiente y los productos presentan el problema de la separación de electrolitos”.
Senftle añadió: «Por supuesto, el ácido acético no suele sintetizarse a partir de CO o CO2». «Ese es el quid de la cuestión: absorbemos los gases residuales que queremos reducir y los transformamos en productos útiles».
Se realizó un acoplamiento preciso entre el catalizador de cobre y el electrolito sólido, el cual se transfirió desde el reactor de ácido fórmico. Wang explicó: «En ocasiones, el cobre produce compuestos químicos a través de dos vías diferentes». «Puede reducir el monóxido de carbono a ácido acético y alcohol. Diseñamos un cubo con una cara que controla el acoplamiento carbono-carbono, y los bordes de dicho acoplamiento dan lugar a la formación de ácido acético en lugar de otros productos».
El modelo computacional de Senftle y su equipo ayudó a refinar la forma del cubo. Explicó: “Podemos mostrar el tipo de aristas del cubo, que son básicamente superficies más onduladas. Estas ayudan a romper ciertas claves CO, de modo que el producto pueda manipularse de una u otra manera. Más aristas ayudan a romper el enlace correcto en el momento preciso”.
Senftler afirmó que el proyecto es una buena demostración de cómo deben conectarse la teoría y el experimento. Añadió: «Desde la integración de componentes en el reactor hasta el mecanismo a nivel atómico, este es un buen ejemplo de ingeniería en múltiples niveles». «Se ajusta al tema de la nanotecnología molecular y muestra cómo podemos extenderla a dispositivos del mundo real».
Wang afirmó que el siguiente paso en el desarrollo de un sistema escalable consiste en mejorar la estabilidad del sistema y reducir aún más la energía necesaria para el proceso.
Los estudiantes de posgrado de la Universidad Rice, Zhu Peng, Liu Chunyan y Xia Chuan, junto con J. Evans Attwell-Welch, investigador postdoctoral, son los principales responsables del artículo.
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