Sincrotrón ALBA
Un nuevo estudio internacional, realizado por el Instituto de Tecnología Química (ITQ, CSIC-UPV) y el Sincrotrón ALBA, junto con otros socios europeos, ha revelado que ajustar con precisión la distancia entre nanopartículas de cobre en un catalizador basado en circonia mejora drásticamente la conversión del dióxido de carbono residual en metanol. Utilizando rayos X de sincrotrón de alta intensidad en la línea de luz NOTOS de ALBA, el equipo descubrió el impacto que tiene el espaciado entre las nanopartículas en el rendimiento catalítico, abriendo nuevas vías hacia procesos químicos más eficientes y sostenibles.
Transformar el dióxido de carbono en combustible y productos químicos de valor añadido es uno de los mayores desafíos de la química sostenible actual. Aunque existen diversas rutas posibles, la hidrogenación del dióxido de carbono para producir metanol — una molécula industrial clave que puede servir como combustible renovable — ha despertado un interés especial.
El cobre soportado sobre óxidos metálicos, como la circonia, es un catalizador comúnmente utilizado en este tipo de reacciones. Durante años, la ciencia ha sabido que el tamaño y la composición de las nanopartículas de cobre desempeñan un papel crucial en el rendimiento de los catalizadores. Sin embargo, en este nuevo estudio, publicado en Angewandte Chemie International Edition, el equipo de investigación ha descubierto que la distancia entre las nanopartículas puede influir de manera significativa en la rapidez y la eficiencia con que el dióxido de carbono se convierte en metanol.
El equipo preparó una serie de catalizadores de cobre sobre circonia con un tamaño de partícula prácticamente idéntico, pero con diferentes separaciones entre las nanopartículas. Al comparar el rendimiento de los catalizadores bajo condiciones relevantes a nivel industrial, descubrieron que las tasas de producción de metanol seguían un patrón en forma de “volcán”, alcanzando un máximo pronunciado cuando la distancia promedio de superficie a superficie entre las partículas de cobre era de aproximadamente 15 nanómetros.
En este espaciado óptimo, los catalizadores también alcanzaron la energía de activación más baja, lo que significa que la reacción se producía de manera más eficiente y con un menor aporte de energía. Cuando las partículas estaban demasiado próximas o demasiado separadas, la actividad catalítica disminuía de forma significativa.
La espectroscopía infrarroja operando confirmó el motivo: a la distancia perfecta surgía el equilibrio adecuado entre las especies reactivas y las especies espectadoras en la superficie del catalizador. Los formiato intermedios — moléculas clave en la ruta de síntesis del metanol — se formaban y convertían de manera dinámica a la velocidad justa.
En la línea de luz NOTOS del Sincrotrón ALBA, el grupo de investigación utilizó espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) para analizar los catalizadores en condiciones reales de trabajo, similares a las de la síntesis industrial de metanol. Estas mediciones operando permitieron al equipo confirmar que todas las muestras presentaban tamaños de nanopartícula prácticamente idénticos, lo que les permitió aislar la separación entre partículas como la única variable. La alta intensidad y capacidad de ajuste de los rayos X de ALBA hizo posible cuantificar estos parámetros estructurales con una precisión excepcional, algo imposible de lograr con técnicas convencionales de laboratorio.
Las instalaciones de laboratorio utilizadas en esta investigación han sido desarrolladas por el personal del ITQ, en colaboración con la División de Experimentos del Sincrotrón ALBA, como parte de la colaboración bilateral CSIC-ALBA dentro de la Plataforma Temática Interdisciplinar (PTI+) de Transición Energética Sostenible (PTI-TransEner+), impulsada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y apoyada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades con financiación de la Unión Europea – NextGenerationEU (PRTR).
Esta colaboración estuvo liderada por el Instituto de Tecnología Química (ITQ, CSIC-UPV) y, además del personal de la línea de luz NOTOS del Sincrotrón ALBA, contó con la participación de científicos de la plataforma de microscopía METCAM en ALBA, del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), de Elettra Sincrotrone Trieste (Italia), de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich (ZHAW, Suiza) y del Centre for Electrochemistry and Surface Technology (Austria).
Esta investigación ofrece un nuevo modelo para el diseño de catalizadores capaces de transformar de manera más eficiente el dióxido de carbono residual en productos de alto valor. A medida que el mundo avanza hacia sistemas energéticos más sostenibles, comprender cómo se comporta la materia a escala atómica seguirá siendo un paso crucial para impulsar la innovación química sostenible.