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Artículo publicado por Ker Than el 22 de diciembre de 2015 en Caltech News

En la búsqueda de una energía alternativa sostenible, y de fuentes de combustible, una solución viable podría ser la conversión del gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO2) en combustible líquido.

Dióxido de carbono en combustible líquido

Dióxido de carbono en combustible líquido Kyle Horak and Joshua Buss/Caltech

A través de la fotosíntesis, las plantas convierten la luz solar, el agua, y el CO2 en azúcares, moléculas orgánicas que alimentan los procesos celulares. El CO2 es tanto un precursor de los combustibles fósiles, que son claves para la vida moderna, como el subproducto de la quema de dichos fósiles. La capacidad de generar combustibles líquidos sintéticos a partir de precursores oxigenados de carbono, tales como el CO2 y el monóxido de carbono (CO) es una reminiscencia de la fotosíntesis, y es una transformación deseable en sistemas artificiales. Durante casi un siglo, se ha usado un método químico conocido como proceso de Fischer-Tropsch para convertir el gas hidrógeno (H2) y el CO en combustibles líquidos. Sin embargo, este mecanismo no se comprende en detalle y, al contrario que la fotosíntesis, el proceso requiere de altas presiones (de 1 a 100 veces la presión atmosférica) y temperaturas (de 100 a 300 grados Celsius).

Más recientemente, se ha informado de reacciones químicas alternativas de conversión para la generación de combustibles líquidos a partir de precursores oxigenados de carbono. Usando electrocatalizadores de cobre, puede convertirse al CO y al CO2 en productos con múltiples carbonos. El proceso se realiza en condiciones más suaves, pero cómo tiene lugar sigue siendo un misterio.

Ahora, el profesor de química de Caltech Theo Agapie y su estudiante graduado Joshua Buss han desarrollado un modelo para demostrar el aspecto que podrían tener los pasos iniciales de un proceso de conversión de CO en hidrocarburos.

Sus conclusiones, presentadas en una publicación en línea avanzada de la revista Nature el 21 de diciembre de 2015 (y que aparece en la versión impresa el 7 de enero de 2016), proporciona una base para el desarrollo de tecnologías que puedan, algún día, ayudar a neutralizar los efectos negativos de la acumulación atmosférica del gas invernadero CO2, convirtiéndolo de nuevo en combustible. Aunque existen métodos para transformar el CO2 en CO, el siguiente paso clave, la desoxigenación de las moléculas de CO y su acoplamiento en forma de enlaces C-C, es más difícil.

En su estudio, Agapie y Buss sintetizaron un nuevo metal de transición complejo — un átomo de metal, en este caso el molibdeno, unido a una o más moléculas de soporte conocidas como ligandos — que pueden facilitar la activación y división de la molécula de CO. La reducción progresiva de la molécula lleva a un debilitamiento sustancial de los enlaces C–O del CO. Una vez debilitados, los enlaces se rompen por completo introduciendo electrófilos de sililos, una case de reactivo que contiene silicio y que puede usarse como sustituto de los protones.

Esta división da como resultado la formación de un carburo terminal — un único átomo de carbono ligado a un metal central — que posteriormente hace un enlace con la segunda molécula coordinada por el metal. Aunque el carburo es una propuesta común como intermediario en la reducción del acoplamiento del CO, ésta es la primera demostración directa de su papel en este tipo de química, según indican los investigadores. Sobre la formación del enlace C–C, el metal central libera el producto C2. En general, este proceso convierte las dos unidades de CO en un derivado del etinol y se realiza fácilmente incluso a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente.

“Hasta donde sabemos, éste es el primer ejemplo de una reacción bien definida que puede usar dos moléculas de monóxido de carbono y convertirlas en un derivado del etinol libre de metales, una molécula relacionada con el etanol; el hecho de que podamos liberar el producto C2 del metal es importante”, explica Agapie.

Aunque el derivado del etinol generado no es útil como combustible, representa un avance hacia la capacidad para generar combustibles sintéticos con múltiples carbonos a partir del dióxido de carbono. Los investigadores están ahora aplicando el conocimiento obtenido en este estudio inicial para mejorar el proceso. “Idealmente, nuestra propuesta facilitará el desarrollo de sistemas catalizadores prácticos”, explica Buss.

Los científicos también están trabajando en un método para separar el enlace C–O usando protones en lugar de electrófilos de sililo. “Finalmente, nos gustaría usar los protones del agua y electrones equivalentes obtenidos de la luz solar”, apunta Agapie. “Pero los protones son muy reactivos, y por el momento no podemos controlar esta química”.

La investigación del artículo, Four-electron deoxygenative reductive coupling of carbon monoxide at a single metal site, estuvo patrocinada por Caltech y la Fundación Nacional de Ciencia.

Esta entrada participa en la LIII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog quimidicesnews de @quimidicesnews

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