Transformar el diòxid de carboni en combustible i productes químics de valor afegit és un dels majors desafiaments de la química sostenible actual. Encara que existeixen diverses rutes possibles, la hidrogenació del diòxid de carboni per a produir metanol — una molècula industrial clau que pot servir com a combustible renovable — ha despertat un interès especial.

El coure sobre òxids metàl·lics, com la zircònia, és un catalitzador comunament utilitzat en aquesta mena de reaccions. Durant anys, la ciència ha sabut que la grandària i la composició de les nanopartícules de coure exerceixen un paper crucial en el rendiment dels catalitzadors. No obstant això, en aquest nou estudi, publicat en Angewandte Chemie International Edition, l'equip de recerca ha descobert que la distància entre les nanopartícules pot influir significativament en la rapidesa i l'eficiència amb què el diòxid de carboni es converteix en metanol.

L'equip va preparar una sèrie de catalitzadors de coure sobre zircònia amb una grandària de partícula pràcticament idèntica, però amb diferents separacions entre les nanopartícules. En comparar el rendiment dels catalitzadors sota condicions rellevants a nivell industrial, van descobrir que les taxes de producció de metanol seguien un patró en forma de “volcà”, aconseguint un màxim pronunciat quan la distancia mitjana de superfície a superfície entre les partícules de coure era d'aproximadament 15 nanòmetres.

En aquest espaiat òptim, els catalitzadors també van aconseguir l'energia d'activació més baixa, cosa que significa que la reacció es produïa de manera més eficient i amb una menor aportació d'energia. Quan les partícules estaven massa pròximes o massa separades, l'activitat catalítica disminuïa de manera significativa.

L'espectroscòpia infraroja operando va confirmar el motiu: a la distància perfecta sorgia l'equilibri adequat entre les espècies reactives i les espècies espectadores en la superfície del catalitzador. Els formiats intermedis — molècules clau en la ruta de síntesi del metanol — es formaven i convertien de manera dinàmica a la velocitat justa.

En la línia de llum NOTOS del Sincrotró ALBA, el grup de recerca va utilitzar espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS) per a analitzar els catalitzadors en condicions reals de treball, similars a les de la síntesi industrial de metanol. Aquestes mesures operando van permetre a l'equip confirmar que totes les mostres presentaven grandàries de nanopartícula pràcticament idèntiques, la qual cosa els va permetre aïllar la separació entre partícules com l'única variable. L'alta intensitat i capacitat d'ajustament dels raigs X d'ALBA va fer possible quantificar aquests paràmetres estructurals amb una precisió excepcional, una cosa impossible d'aconseguir amb tècniques convencionals de laboratori.

Les instal·lacions de laboratori utilitzades en aquesta recerca han estat desenvolupades pel personal de l'ITQ, en col·laboració amb la Divisió d'Experiments del Sincrotró ALBA, com a part de la col·laboració bilateral CSIC-ALBA dins de la Plataforma Temàtica Interdisciplinar (PTI+) de Transició Energètica Sostenible (PTI-TransEner+), impulsada pel Consell Superior de Recerques Científiques (CSIC) i secundada pel Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats amb finançament de la Unió Europea – NextGenerationEU (PRTR).

Aquesta col·laboració va estar liderada per investigadors de l'Institut de Tecnologia Química (ITQ, CSIC-UPV) i, a més del personal de la línia de llum NOTOS del Sincrotró ALBA, va comptar amb la participació de científics de la plataforma de microscòpia METCAM a l'ALBA, de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), de Elettra Sincrotrone Trieste (Itàlia), de la Universitat de Ciències Aplicades de Zuric (ZHAW, Suïssa) i del Centre for Electrochemistry and Surface Technology (Àustria).

Aquesta recerca ofereix un nou model per al disseny de catalitzadors capaços de transformar de manera més eficient el diòxid de carboni residual en productes d'alt valor. A mesura que el món avança cap a sistemes energètics més sostenibles, comprendre com es comporta la matèria a escala atòmica continuarà sent un pas crucial per a impulsar la innovació química sostenible.