Catalizadores innovadores mejoran la producción de metanol a partir de la hidrogenación de CO2

MadridCientíficos del Tokyo Tech han descubierto que al incorporar nanopartículas de cobre dentro de cristales de silicato porosos y repelentes al agua se puede mejorar la efectividad de los catalizadores de cobre y óxido de zinc en la producción de metanol. Esta configuración evita que las partículas de cobre se aglutinen bajo el calor, lo que conduce a una mejor hidrogenación y a una mayor producción de metanol. Este método hace que la síntesis de metanol a partir de CO2 sea más eficiente.

Las emisiones de CO2 son un factor clave en el calentamiento global, por lo que su reducción es indispensable. El metanol se presenta como un combustible útil y económico, ofreciendo una buena alternativa a los combustibles tradicionales. Producir metanol a partir de la conversión de CO2 con hidrógeno es uno de los métodos más prometedores entre las tecnologías para capturar y utilizar CO2.

Temperaturas más bajas son mejores para la producción de metanol porque la reacción libera calor. Los catalizadores de cobre y óxido de zinc (Cu-ZnO) son eficaces para esto. Facilitan la conversión de CO2 en intermediarios de formiato, lo que aumenta la producción de metanol. Incrementar la superficie de contacto entre el cobre y el óxido de zinc mejora la producción, lo cual se puede lograr dispersando más las partículas de cobre. Sin embargo, a altas temperaturas, las partículas de cobre no son estables y tienden a aglomerarse durante la preparación y reacción, reduciendo la superficie disponible. Además, el agua producida como subproducto también provoca que el cobre se aglomere y ralentiza la formación de formiato.

Un equipo de investigación dirigido por el Profesor Teruoki Tago del Instituto de Tecnología de Tokio ha desarrollado nuevos catalizadores de Cu-ZnO encapsulados en Silicalite-1 (S-1). En su estudio destacaron varios hallazgos importantes.

• Encapsular metales dentro de portadores porosos reduce la agregación térmica.
• Los catalizadores de Cu-ZnO encapsulados en S-1 muestran una mayor producción de metanol.
• Se fabricaron dos tipos de catalizadores: Cu/S-1 y Cu@S-1.
• Cu@S-1 se preparó utilizando un polvo de filosilicato de cobre (CuPS).

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Los investigadores elaboraron dos tipos de catalizadores. El primero, denominado Cu/S-1, consistió en añadir cobre a un material repelente al agua conocido como S-1. El segundo, llamado Cu@S-1, se creó utilizando un polvo a base de cobre que ayudó a incrustar partículas de cobre en la estructura del S-1. Para obtener Cu@S-1, disolvieron el polvo de cobre, y el tiempo necesario para disolverlo afectó el tamaño de las partículas de cobre. Cuando encontraron el tiempo óptimo de disolución, el catalizador contenía partículas de cobre de aproximadamente 2.4 nanómetros dentro del S-1.

El catalizador Cu@S-1 mostró mayor actividad en la hidrogenación y producción de metanol que el Cu/S-1. Para incrementar aún más la producción de metanol, se añadió ZnO al Cu@S-1 mediante impregnación, creando el catalizador ZnO/Cu@S-1 con partículas finas de cobre. Este nuevo catalizador mostró una actividad aún mayor, lo que indica la formación de una interfaz Cu-ZnO.

La estructura S-1 evita que las partículas de Cu se aglutinen al calentarse y además elimina rápidamente el agua generada en las reacciones cerca de la interfaz Cu-ZnO, lo cual mejora la producción de metanol.

El estudio fue publicado en línea el 21 de febrero de 2024 y apareció en el Volumen 485 de la revista Chemical Engineering Journal el 1 de abril de 2024. El proyecto recibió financiamiento del programa Horizon2020 de la UE y de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología a través del proyecto SCICORP (proyecto Laurelin). Los investigadores descubrieron que el nuevo método para preparar catalizadores es muy efectivo y muestra potencial para producir metanol a partir de CO2 de manera eficiente.