Un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Yale y la Universidad de Missouri muestra que los catalizadores fabricados con manganeso pueden convertir eficientemente el dióxido de carbono en formiato. El manganeso está ampliamente disponible y es de bajo costo, lo que lo convierte en una alternativa atractiva a los metales costosos. El formiato se considera un material prometedor para almacenar hidrógeno, lo que podría ayudar a impulsar la próxima generación de pilas de combustible.
La investigación fue publicada en la revista. química. Los autores principales son el investigador postdoctoral de Yale, Justin Wedal, y el asistente de investigación graduado de la Universidad de Missouri, Kyler Virtue. Los autores principales incluyen al profesor de Yale Nilay Hazari y al profesor de la Universidad de Missouri Wesley Bernskoetter.
Por qué son importantes las pilas de combustible de hidrógeno
Las pilas de combustible de hidrógeno funcionan convirtiendo la energía química del hidrógeno en electricidad, de forma similar a cómo funciona una batería. Aunque la tecnología es prometedora para la energía limpia, su adopción a gran escala se ha visto limitada por la dificultad y el costo de producir y almacenar hidrógeno de manera eficiente.
«La utilización del dióxido de carbono es una prioridad en este momento, mientras buscamos materias primas químicas renovables para reemplazar las materias primas derivadas de combustibles fósiles», dijo Hazari, profesor de química John Randolph Huffman y catedrático de química en la Facultad de Artes y Ciencias (FAS) de Yale.
Formiato como portador de hidrógeno
El ácido fórmico, la forma protonada del formiato, ya se fabrica a escala industrial. Se utiliza comúnmente como conservante, agente antibacteriano y en el curtido del cuero. Muchos científicos también lo ven como una fuente práctica de hidrógeno para pilas de combustible, siempre que pueda producirse de forma sostenible y eficiente.
Hoy en día, la mayor parte de la producción de formato industrial depende de combustibles fósiles, lo que limita sus beneficios ambientales a largo plazo. Los investigadores dicen que una alternativa más limpia sería producir formato directamente a partir del dióxido de carbono del aire. Este enfoque reduciría los niveles de gases de efecto invernadero y crearía un producto químico útil.
El desafío catalizador
Transformar dióxido de carbono en formiato requiere un catalizador, y ese ha sido un obstáculo importante. Muchos de los catalizadores más eficaces desarrollados hasta ahora dependen de metales preciosos que son costosos, escasos y, a menudo, tóxicos. Los metales más abundantes tienden a descomponerse rápidamente, lo que reduce su capacidad para impulsar la reacción química.
Cómo el manganeso superó las expectativas
El equipo de investigación desarrolló una nueva estrategia para superar este problema. Al rediseñar la estructura del catalizador, ampliaron significativamente la vida útil de los catalizadores a base de manganeso. Como resultado, estos catalizadores funcionaron mejor que la mayoría de las alternativas de metales preciosos.
Según los investigadores, la mejora clave provino de agregar un átomo donador adicional al diseño del ligando (los ligandos son átomos o moléculas que se unen a un átomo de metal e influyen en la reactividad). Este cambio ayudó a estabilizar el catalizador y mantener su eficacia.
«Estoy emocionado de ver que el diseño del ligando rinde frutos de una manera tan significativa», afirmó Wedal.
Implicaciones más amplias para la química limpia
El equipo cree que este enfoque podría aplicarse más allá de la conversión de dióxido de carbono. Principios de diseño similares pueden mejorar los catalizadores utilizados en otras reacciones químicas, ampliando potencialmente el impacto del trabajo.
Los investigadores de Yale Brandon Mercado y Nicole Piekut también contribuyeron al estudio. La financiación de la investigación fue proporcionada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE.UU.
