Investigadores de la Universidad de Duke han desarrollado minúsculas nanopartículas que ayudan a convertir dióxido de carbono en metano usando sólo luz ultravioleta como fuente de energía.

Después de haber encontrado un catalizador que puede llevar a cabo esta química importante usando la luz ultravioleta, el equipo ahora espera desarrollar una versión que funcione con luz solar, una bendición potencial a la energía alternativa.

Los químicos han buscado durante mucho tiempo un eficiente catalizador a base de luz para impulsar esta reacción, lo que podría ayudar a reducir los crecientes niveles de dióxido de carbono en nuestra atmósfera convirtiéndolo en metano, un componente clave para muchos tipos de combustibles.

No sólo las nanopartículas de rodio son más eficientes cuando se iluminan con luz, sino que tienen la ventaja de favorecer fuertemente la formación de metano en lugar de una mezcla de metano y productos secundarios indeseables como el monóxido de carbono. Esta fuerte «selectividad» de la catálisis impulsada por la luz también puede extenderse a otras reacciones químicas importantes, dicen los investigadores.

«El hecho de que puedas usar la luz para influir en una ruta de reacción específica es muy emocionante», dijo Jie Liu, profesor de química de George B. Geller en la Universidad de Duke. «Este descubrimiento realmente avanzará en la comprensión de la catálisis».

El artículo aparece en línea el 23 de febrero en Nature Communications.

A pesar de ser uno de los elementos más raros de la Tierra, el rodio juega un papel sorprendentemente importante en nuestra vida cotidiana. Pequeñas cantidades del metal gris plateado se utilizan para acelerar o «catalizar» una serie de procesos industriales clave, incluidos los que fabrican drogas, detergentes y fertilizantes nitrogenados, e incluso desempeñan un papel importante en la descomposición de contaminantes tóxicos en los convertidores catalíticos de nuestros coches.

El rodio acelera estas reacciones con un aumento adicional de energía, que por lo general viene en forma de calor porque es fácilmente producido y absorbido. Sin embargo, las altas temperaturas también causan problemas, como tiempos de vida del catalizador acortados y la síntesis de productos no deseados.

En las últimas dos décadas, los científicos han explorado nuevas y útiles formas en que la luz puede ser utilizada para agregar energía a trozos de metal reducidos a la nanoescala, un campo llamado plasmónica.

«Efectivamente, las nanopartículas de metal plasmónico actúan como pequeñas antenas que absorben luz visible o ultravioleta muy eficientemente y pueden hacer una serie de cosas como generar fuertes campos eléctricos», dijo Henry Everitt, profesor adjunto de física en Duke. «Durante los últimos años ha habido un reconocimiento de que esta propiedad podría aplicarse a la catálisis».

Xiao Zhang, un estudiante graduado en el laboratorio de Jie Liu, sintetizó nanocubos de rodio que eran el tamaño óptimo para absorber la luz ultravioleta cercana. Luego colocó pequeñas cantidades de las nanopartículas de color carbón en una cámara de reacción y pasó mezclas de dióxido de carbono e hidrógeno a través del material en polvo.

Cuando Zhang calentó las nanopartículas a 300 grados Celsius, la reacción generó una mezcla igual de metano y monóxido de carbono, un gas venenoso. Cuando apagó el calor y los iluminó con una lámpara LED ultravioleta de alta potencia, Zhang no sólo se sorprendió al descubrir que el dióxido de carbono y el hidrógeno reaccionaban a temperatura ambiente, sino que la reacción producía casi exclusivamente metano.

«Descubrimos que cuando iluminamos las nanoestructuras de rodio, podemos forzar a la reacción química a ir en una dirección más que otra», dijo Everitt. «Así que tenemos que elegir cómo la reacción va con la luz de una manera que no podemos hacer con el calor».

Esta selectividad -la capacidad de controlar la reacción química para que genere el producto deseado con pocos o ningún producto secundario- es un factor importante para determinar el costo y la viabilidad de las reacciones a escala industrial, dice Zhang.

«Si la reacción tiene sólo un 50 por ciento de selectividad, entonces el costo será el doble de lo que sería con casi el 100 por ciento», dijo Zhang. «Y si la selectividad es muy alta, también puede ahorrar tiempo y energía al no tener que purificar el producto».

Ahora el equipo planea probar si su técnica ligera podría impulsar otras reacciones que actualmente están catalizadas con metal rodio calentado. Al ajustar el tamaño de las nanopartículas de rodio, también esperan desarrollar una versión del catalizador que es alimentado por la luz solar, creando una reacción de energía solar que podría ser integrada en los sistemas de energía renovable.

«Nuestro descubrimiento de la manera única en que la luz puede influir de manera eficiente y selectiva en la catálisis surgió como resultado de una colaboración continua entre los experimentalistas y los teóricos», dijo Liu.

«El grupo del profesor Weitao Yang en el departamento de química de Duke proporcionó ideas teóricas críticas que nos ayudaron a entender lo que estaba sucediendo. Este tipo de análisis puede aplicarse a muchas reacciones químicas importantes, y apenas hemos comenzado a explorar este nuevo enfoque emocionante a la catálisis», concluyó.

Fuente: Europa Press