Imagina capturar los gases de efecto invernadero que calientan nuestro planeta y, en un solo paso, convertirlos en combustible limpio. Un nuevo estudio liderado por el ITQ, CSIC-UPV nos ha acercado a esta realidad.

La captura y reciclaje de CO₂ es un pilar clave de la transición energética que podría allanar el camino hacia las cero emisiones netas para 2050. Uno de los principales enfoques es la reducción termocatalítica, una reacción que utiliza calor, hidrógeno y un catalizador para transformar el CO₂ en combustibles como el éter dimetílico (DME) y el metanol. El DME es de particular interés porque almacena más energía y puede usarse no solo como combustible limpio, sino también en la producción de productos químicos valiosos como el ácido acético. En este sentido, este trabajo, publicado en el Journal of the American Chemical Society, abre una vía prometedora para convertir el CO₂ capturado en recursos útiles para una economía circular.

Tradicionalmente, convertir CO₂ en DME implica un proceso de dos pasos. Primero, el CO₂ se transforma en metanol en un reactor, y luego el metanol se convierte en DME en otro. La novedad de este trabajo radica en reunir ambos pasos en un solo sistema catalítico, conocido como proceso "one-pot" (en  un solo recipiente), que se basa en estabilizar las especies activas adecuadas dentro de los canales de la zeolita.

Una zeolita es un mineral poroso que actúa como un andamio microscópico y permite que diferentes componentes se posicionen con precisión atómica. Dentro de esta estructura, nanopartículas metálicas aleadas de paladio (Pd) y galio (Ga) –PdGa–, sitios aislados de Ga⁺ y sitios ácidos están dispuestos para trabajar juntos, desempeñando cada uno un papel complementario en la reacción de CO₂ a DME. Al controlar con precisión la distancia y la interacción entre PdGa, Ga⁺ y los sitios ácidos, los investigadores pudieron sincronizar ambos pasos del proceso, logrando una alta productividad y superando a otros catalizadores basados en paladio descritos hasta el momento.

La alta eficiencia del catalizador está vinculada a un fenómeno conocido como migración inducida térmicamente. Cuando el material se calienta a 700 °C en condiciones reductoras —en presencia de hidrógeno—, los iones Ga³⁺ situados dentro de la estructura de la zeolita se mueven hacia las partículas de Pd. Esta redistribución es beneficiosa porque genera nanopartículas aleadas de PdGa, Ga⁺ aislado y sitios ácidos que participan activamente en la reacción. Todos los sitios trabajan en sinergia a nivel atómico convirtiendo el CO₂ en DME en un proceso de un solo paso. Si bien el catalizador requiere una 'activación' a 700 °C para establecer su estructura, su rendimiento óptimo se produce a una temperatura de funcionamiento mucho menor, de 260 °C.

Para observar esta transformación atómica en detalle, los investigadores utilizaron la Espectroscopía de Absorción de Rayos X (XAS) en la línea de luz CLÆSS del Sincrotrón ALBA. Analizaron cómo los átomos absorben los rayos X de alta energía para determinar el estado químico exacto de cada elemento en el catalizador.

Los resultados muestran que los sitios aislados de Ga⁺ son cruciales para controlar la vía de reacción hacia la formación de DME. En este sistema, las nanopartículas de PdGa son responsables de la transformación inicial del CO₂ en especies metílicas estabilizadas en los sitios ácidos adyacentes, mientras que el Ga⁺ trabaja en sinergia al estabilizar los intermedios de monoformiato y facilitar su acoplamiento en DME. A diferencia de los catalizadores convencionales, donde el metanol debe generarse primero y luego usarse en un segundo paso, este mecanismo acoplado permite que la reacción proceda de manera continua dentro de un solo ciclo catalítico. En condiciones óptimas, el sistema logró una tasa de producción récord de más de 42.000 g de combustible por kg de paladio por hora.

El estudio también confirma que la estructura de la zeolita actúa como una jaula protectora, confinando las especies metálicas de Ga y Pd y evitando su oxidación, lo cual es esencial para la estabilidad a largo plazo del catalizador.

Al agilizar el camino del gas de efecto invernadero al combustible verde, este trabajo establece un nuevo estándar de eficiencia en la transición energética. Es un claro ejemplo de cómo la ciencia de vanguardia basada en sincrotrones puede contribuir directamente a un futuro más limpio y sostenible.

Visión esquemática de la formación directa de DME. A 700 °C, en presencia de hidrógeno, los iones Ga³⁺ situados dentro de la estructura de la zeolita migran hacia las partículas de Pd, generando nanopartículas de PdGa, Ga⁺ aislado y sitios ácidos que participan activamente en la reacción, convirtiendo el CO₂ en DME.