Ingenieros de Caltech han desarrollado in catalizador para producir una materia prima química común sin los elementos tóxicos y peligrosos que normalmente se requieren para su producción.
Esa materia prima química, el óxido de propileno, es un compuesto orgánico utilizado en una variedad de aplicaciones, incluida la fabricación de espumas, plásticos y anticongelantes, así como para desinfección y esterilización. Tradicionalmente, el óxido de propileno se produce haciendo reaccionar propileno con ácido hipocloroso o peróxido de hidrógeno. Cada uno tiene su propio inconveniente.
«Con el ácido hipocloroso, terminas con un producto secundario de cloruro que se descarga al medio ambiente. Por esa razón, cada vez se conceden menos permisos para permitir que las plantas utilicen el proceso del ácido hipocloroso», dice en un comunicado el profesor Karthish Manthiram, cuyo laboratorio es responsable del nuevo avance, presentado en la revista Science.
«Eso ha obligado a la gente a cambiar hacia procesos basados en peróxido, pero existe un enorme desafío de seguridad. Cada vez que el peróxido de hidrógeno entra en contacto con compuestos orgánicos, existe un peligro inminente de explosión», agregó.
El objetivo del nuevo estudio era desarrollar un método seguro para la producción de epóxido de propileno que no produjera una descarga ambiental ni tuviera una gran huella de carbono. Manthiram dice que el equipo comenzó buscando un catalizador capaz de producir epóxido de propileno utilizando el átomo de oxígeno que se encuentra en una molécula de agua. El único producto secundario sería el gas hidrógeno, que puede usarse como combustible o en la fabricación de otros productos químicos.
«La premisa era que el agua es segura», afirma. «No presenta un riesgo de seguridad intrínseco y no hay ningún producto secundario dañino para el medio ambiente en el proceso. En lugar de eso, se produce hidrógeno, que es algo que debemos producir más en el futuro. Ahí es donde empezamos».
El grupo se centró en dos catalizadores: óxido de platino y óxido de paladio. Ambos realizaron la reacción que el equipo quería, pero no lo suficientemente bien como para ser útiles. El óxido de platino produjo epóxido de propileno a altas tasas, pero de manera desordenada, creando muchos productos secundarios no deseados. Por el contrario, el óxido de paladio produjo epóxido de propileno con menos productos secundarios, pero lo hizo con bastante lentitud.
Manthiram dice que la solución fue combinar los dos catalizadores.
«Juntar los dos en realidad terminó resolviendo el problema», dice Minju Chung, autora principal y ex estudiante de posgrado del MIT y ahora becaria postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Luego dedicamos mucho tiempo a comprender por qué esa mezcla funciona mejor. No es una explicación sencilla».
Utilizando espectroscopia de absorción de rayos X (una técnica que puede revelar la estructura atómica y electrónica de los materiales bombardeándolos con rayos X), los investigadores determinaron que en una mezcla de óxido de platino y óxido de paladio, el platino existe en un estado que hace que sea un catalizador más eficiente.
«Resulta que uno de los efectos más dramáticos de pasar del óxido de platino a paladio-óxido de platino es que se puede estabilizar el platino en un estado de oxidación más alto», dice Manthiram. «Cuando se encuentra en un estado de oxidación más alto, el oxígeno unido al platino está más privado de electrones, lo que lo hace más reactivo con el propileno rico en electrones. Vemos a través de toda una serie de experimentos que la estabilización del platino en un estado de oxidación más alto conduce a una reducción significativa tasas y eficiencias mejoradas de epoxidación de propileno».
Usando el nuevo catalizador, la tasa de producción de óxido de propileno es 10 veces mayor que la que se había logrado anteriormente, y la eficiencia aumenta en un 13 por ciento, dice Manthiram.
Manthiram dice que la investigación futura se centrará en probar el catalizador para ver cómo se puede llevar desde un laboratorio a entornos industriales. Eso requerirá análisis que examinen cuánto dura el catalizador antes de degradarse y qué tan bien se desempeña a escalas mayores, así como el desarrollo de un proceso para eliminar el epóxido de propileno del sistema a medida que se produce.
«Es hora de graduar este material de este contexto científico fundamental», dice. «Eso va a ser realmente esclarecedor porque nos mostrará cuáles son las próximas cosas en las que debemos trabajar».
Fuente: europapress.es