Imagina capturar els gasos d'efecte hivernacle que escalfen el nostre planeta i, en un sol pas, convertir-los en combustible net. Un nou estudi liderat per l'ITQ, CSIC-UPV ens ha apropat a aquesta realitat.

La captura i reciclatge de CO₂ és un pilar clau de la transició energètica que podria aplanar el camí cap a les zero emissions netes per al 2050. Un dels enfocaments principals és la reducció termocatalítica, una reacció que utilitza calor, hidrogen i un catalitzador per transformar el CO₂ en combustibles com l'èter dimetílic (DME) i el metanol. El DME és de particular interès perquè emmagatzema més energia i es pot utilitzar no només com a combustible net, sinó també en la producció de productes químics de valor com l'àcid acètic. En aquest sentit, aquest treball, publicat al Journal of the American Chemical Society, obre una ruta prometedora per convertir el CO₂ capturat en recursos útils per a una economia circular.

Tradicionalment, convertir CO₂ en DME implica un procés de dos passos. Primer, el CO₂ es transforma en metanol en un reactor, i després el metanol es converteix en DME en un altre. La novetat d'aquest treball rau a reunir tots dos passos en un sol sistema catalític, conegut com a procés "one-pot" (en un sol recipient), que es basa a estabilitzar les espècies actives adequades dins dels canals de la zeolita.

Una zeolita és un mineral porós que actua com una bastida microscòpica i permet que diferents components es posicionin amb precisió atòmica. Dins d'aquesta estructura, nanopartícules metàl·liques aliades de pal·ladi (Pd) i gal·li (Ga) –PdGa–, llocs aïllats de Ga⁺ i llocs àcids estan disposats per treballar junts, exercint cadascun un paper complementari en la reacció de CO₂ a DME. En controlar amb precisió la distància i la interacció entre PdGa, Ga⁺ i els llocs àcids, els investigadors van poder sincronitzar ambdós passos del procés, assolint una alta productivitat i superant altres catalitzadors basats en pal·ladi descrits fins ara.

L'alta eficiència del catalitzador està vinculada a un fenomen conegut com a migració induïda tèrmicament. Quan el material s'escalfa a 700 °C en condicions reductores —en presència d'hidrogen—, els ions Ga³⁺ situats dins de l'estructura de la zeolita es mouen cap a les partícules de Pd. Aquesta redistribució és beneficiosa perquè genera nanopartícules aliades de PdGa, Ga⁺ aïllat i llocs àcids que participen activament en la reacció. Tots els llocs treballen en sinergia a escala atòmica convertint el CO₂ en DME en un procés d'un sol pas. Si bé el catalitzador requereix una 'activació' a 700 °C per establir la seva estructura, el seu rendiment òptim es produeix a una temperatura de funcionament molt menor, de 260 °C.

Per observar aquesta transformació atòmica en detall, els investigadors van utilitzar l'Espectroscòpia d'Absorció de Raigs X (XAS) a la línia de llum CLÆSS del Sincrotró ALBA. Van analitzar com els àtoms absorbeixen els raigs X d'alta energia per determinar l'estat químic exacte de cada element en el catalitzador.

Els resultats mostren que els llocs aïllats de Ga⁺ són crucials per controlar la via de reacció cap a la formació de DME. En aquest sistema, les nanopartícules de PdGa són responsables de la transformació inicial del CO₂ en espècies metíliques estabilitzades en els llocs àcids adjacents, mentre que el Ga⁺ treballa en sinergia en estabilitzar els intermedis de monoformiat i facilitar el seu acoblament en DME. A diferència dels catalitzadors convencionals, on el metanol s'ha de generar primer i després utilitzar-se en un segon pas, aquest mecanisme acoblat permet que la reacció es doni de manera contínua dins d'un sol cicle catalític. En condicions òptimes, el sistema va aconseguir una taxa de producció rècord de més de 42.000 g de combustible per kg de pal·ladi per hora.

L'estudi també confirma que l'estructura de la zeolita actua com una gàbia protectora, confinant les espècies metàl·liques de Ga i Pd i evitant la seva oxidació, la qual cosa és essencial per a l'estabilitat a llarg termini del catalitzador.

En agilitar el camí del gas d'efecte hivernacle al combustible verd, aquest treball estableix un nou estàndard d'eficiència en la transició energètica. És un clar exemple de com la ciència d'avantguarda del sincrotró pot contribuir directament a un futur més net i sostenible.

Visió esquemàtica de la formació directa de DME. A 700 °C, en presència d'hidrogen, els ions Ga³⁺ situats dins de l'estructura de la zeolita migren cap a les partícules de Pd, generant nanopartícules de PdGa, Ga⁺ aïllat i llocs àcids que participen activament en la reacció, convertint el CO₂ en DME.