La producción sostenible de combustibles y productos químicos de valor añadido a partir de biomasa se erige como un pilar fundamental de la futura bioeconomía. En este contexto, el 5-hidroximetilfurfural (HMF), un compuesto derivado de la biomasa lignocelulósica, presenta un gran potencial para sustituir a los bloques de construcción derivados del petróleo. En particular, la hidrogenación selectiva de HMF a 2,5-dihidroximetilfurfural (DHMF), un precursor esencial para productos farmacéuticos, análogos de nucleósidos y polímeros especiales, ha suscitado un creciente interés. Sin embargo, los métodos convencionales de hidrogenación termocatalítica de HMF suelen requerir condiciones severas (altas temperaturas y presiones), lo que conlleva un considerable consumo energético y desafíos en la intensificación del proceso.
Un reciente avance, publicado en el Chinese Journal of Catalysis, ofrece una alternativa convincente: la hidrogenación electroquímica (ECH) a condiciones ambientales. Un equipo de investigación liderado por el profesor Yu Chen de la Universidad Normal de Shaanxi, en China, ha desarrollado un bimetaleno altamente aleado Pd3Pt1 (Pd3Pt1BML) que permite la ECH de HMF a DHMF de manera energéticamente eficiente.
Un catalizador innovador para la hidrogenación electroquímica
Este novedoso Pd3Pt1 BML, sintetizado mediante una sencilla reacción de desplazamiento galvánico, exhibe una estructura metálica bidimensional única. Esta morfología, combinada con el platino (Pt) dispersado a nivel atómico dentro de la red de paladio (Pd), ofrece ventajas catalíticas distintivas. El catalizador demuestra una eficiencia Faradaica notable que supera el 93% y una selectividad hacia DHMF que supera el 66% en condiciones suaves.
El rendimiento excepcional del Pd3Pt1 BML se debe a una interacción sinérgica de efectos geométricos y electrónicos. La espectroscopia Raman in situ proporciona evidencia convincente de la debilitación de la adsorción de HMF en los sitios de Pd. Los cálculos de teoría funcional de densidad (DFT) corroboran esta observación, subrayando el papel crítico del Pt en la promoción del «spillover» de hidrógeno y en la facilitación del proceso de hidrogenación. El Pt dispersado atómicamente no solo mitiga la toxicidad del catalizador al reducir la fuerza de unión de HMF en el Pd, sino que también actúa como fuente de abundantes especies de hidrógeno activas, acelerando así la conversión total.
Una innovación clave de este trabajo es el acoplamiento estratégico de la ECH de HMF (en el cátodo) con la reacción de oxidación de ácido fórmico (FAOR) en el ánodo. Este enfoque de electrólisis acoplada elude la lenta reacción de evolución de oxígeno (OER), que típicamente limita la eficiencia de los sistemas electroquímicos. El sistema electrolizador ensamblado Pd3Pt1 BML||Pd3Pt1 BML alcanza una densidad de corriente de 10 mA cm-2 a un voltaje de celda notablemente bajo de solo 0.72 V para la ECH de HMF.
Esto representa una reducción de voltaje sustancial de casi 1 V en comparación con sistemas ECH análogos de HMF acoplados con OER, lo que se traduce en una disminución significativa del consumo energético. Los efectos sinérgicos y electrónicos de la estructura Pd-Pt son centrales para lograr una alta actividad catalítica y una excelente selectividad hacia la producción de DHMF.
