Este artículo se publica en colaboración con Caltech.
En la búsqueda de fuentes de energía alternativas y combustibles sostenibles, una solución viable podría ser la conversión del gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO2) en combustibles líquidos.
Mediante la fotosíntesis, las plantas convierten la luz solar, el agua y el CO2 en azúcares, moléculas multicarbonadas que alimentan los procesos celulares. Así, el CO2 es tanto el precursor de los combustibles fósiles, fundamentales en la vida moderna, como el subproducto de la combustión de esos combustibles. La capacidad de generar combustibles líquidos sintéticos a partir de precursores de carbono oxigenados y estables, como el CO2 y el monóxido de carbono (CO), recuerda a la fotosíntesis en la naturaleza y es una transformación deseable en sistemas artificiales. Durante aproximadamente un siglo, se ha utilizado un método químico conocido como proceso Fischer-Tropsch para convertir hidrógeno gaseoso (H2) y CO en combustibles líquidos. Sin embargo, su mecanismo no se comprende bien y, a diferencia de la fotosíntesis, el proceso requiere presiones elevadas (de 1 a 100 veces la presión atmosférica) y temperaturas (entre 100 y 300 grados Celsius).
Más recientemente, se han descrito químicas de conversión alternativas para la generación de combustibles líquidos a partir de precursores de carbono oxigenados. Utilizando electrocatalizadores de cobre, el CO y el CO2 pueden convertirse en productos multicarbonados. El proceso transcurre en condiciones suaves, pero cómo tiene lugar sigue siendo un misterio.
Ahora, el profesor de química de Caltech Theo Agapie y su estudiante de posgrado Joshua Buss han desarrollado un sistema modelo para demostrar cómo podrían ser los pasos iniciales de un proceso de conversión de CO en hidrocarburos.
Los hallazgos, publicados como publicación en línea anticipada en la revista Nature el 21 de diciembre de 2015 (y aparecidos en versión impresa el 7 de enero de 2016), sientan las bases para el desarrollo de tecnologías que algún día podrían ayudar a neutralizar los efectos negativos de la acumulación atmosférica del gas de efecto invernadero CO2, convirtiéndolo de nuevo en combustible. Aunque existen métodos para transformar el CO2 en CO, un paso siguiente crucial, la desoxigenación de las moléculas de CO y su acoplamiento para formar enlaces C–C, es más difícil.
En su estudio, Agapie y Buss sintetizaron un nuevo complejo de metal de transición (un átomo metálico, en este caso molibdeno, unido a una o más moléculas de soporte conocidas como ligandos) que puede facilitar la activación y escisión de una molécula de CO. La reducción incremental de la molécula conduce a un debilitamiento sustancial de los enlaces C–O del CO. Una vez debilitado, el enlace se rompe por completo mediante la introducción de electrófilos de sililo, una clase de reactivos que contienen silicio y que pueden emplearse como sustitutos de los protones.
Esta escisión da lugar a la formación de un carburo terminal (un único átomo de carbono unido a un centro metálico), que posteriormente forma un enlace con la segunda molécula de CO coordinada al metal. Aunque un carburo se propone habitualmente como intermediario en el acoplamiento reductor de CO, esta es, según afirman los investigadores, la primera demostración directa de su papel en este tipo de química. Al formarse el enlace C–C, el centro metálico libera el producto C2. En conjunto, este proceso convierte las dos unidades de CO en un derivado de etinol y transcurre con facilidad incluso a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente.
«Hasta donde sabemos, este es el primer ejemplo de una reacción bien definida que puede tomar dos moléculas de monóxido de carbono y convertirlas en un derivado de etinol libre de metales, una molécula relacionada con el etanol; el hecho de que podamos liberar el producto C2 del metal es importante», afirma Agapie.
Aunque el derivado de etinol generado no es útil como combustible, representa un paso hacia la posibilidad de generar combustibles sintéticos multicarbonados a partir de dióxido de carbono. Los investigadores están aplicando ahora los conocimientos adquiridos en este estudio inicial para mejorar el proceso. «Idealmente, nuestros conocimientos facilitarán el desarrollo de sistemas catalíticos prácticos», afirma Buss.
Los científicos también trabajan en una forma de escindir el enlace C–O utilizando protones en lugar de electrófilos de sililo. «En última instancia, nos gustaría utilizar protones procedentes del agua y equivalentes de electrones derivados de la luz solar», afirma Agapie. «Pero los protones son muy reactivos y, por ahora, no podemos controlar esa química».
La investigación del artículo, “Desoxigenación reductora de cuatro electrones del monóxido de carbono en un único centro metálico,” contó con financiación de Caltech y de la National Science Foundation.
La publicación no implica el respaldo de los puntos de vista del Foro Económico Mundial.
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Autor: Ker Than es redactor colaborador de Caltech.
Imagen: Un tubo flexible para CO2 se muestra antes de la primera puesta en marcha oficial de la mini planta «Schwarze Pumpe» en Spremberg. REUTERS/Hannibal Hanschke.
