Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado un innovador método para convertir el dióxido de carbono (CO2) en formiato (HCO2–), un compuesto químico de importancia industrial que se utiliza como combustible, agente antibacteriano y en la fabricación de productos farmacéuticos. Este proceso se lleva a cabo mediante un catalizador metálico activado por luz, que facilita la transferencia de electrones y protones necesarios para la conversión química.
El autor principal del estudio, Sai Puneet Desai, subraya la relevancia de este avance: «Estamos tomando algo barato y abundante como el CO2 y añadiendo electrones y protones para convertirlo en algo útil». Este proceso, según los investigadores, emula de cierta manera la fotosíntesis, el mecanismo que utilizan las plantas para transformar el CO2 y el agua en azúcares, su fuente primaria de energía. «En ambas reacciones, la transferencia de protones y electrones es promovida, directa o indirectamente, por la luz», destaca Desai.
Control selectivo mediante ligandos
A diferencia de otros intentos de conversión de CO2, el método diseñado por el equipo de Brookhaven incorpora un enfoque novedoso. Javier Concepcion, líder del grupo de Fotosíntesis Artificial, explica que «típicamente, en estas conversiones, se necesita unir el CO2 a un centro metálico del catalizador. Esto significa que hay espacios vacíos para que otras moléculas en competencia puedan reaccionar, lo que puede llevar a la descomposición del catalizador y limita la selectividad de los productos obtenidos».
Para evitar reacciones no deseadas y mejorar la selectividad, el equipo rodeó el centro metálico con ligandos. «El catalizador es como una flor: el metal es el centro y los pétalos son los ligandos», ilustra Müller, coautora del estudio. «Podemos ajustar las propiedades del catalizador con estos ligandos, y toda la química se lleva a cabo en uno de los ligandos en lugar de en el metal». Este nuevo mecanismo asegura que todos los sitios de unión en el metal estén ocupados, de modo que el metal está completamente protegido de reacciones indeseadas, permitiendo así un control preciso sobre el producto final.
Gracias a este enfoque, se ha logrado una alta selectividad en el proceso, generando únicamente formiato. «A menudo, hay competencia para producir hidrógeno o monóxido de carbono, lo que complica el control de los productos generados. Pero en este caso, como el mecanismo se basa en los ligandos, no hay posibilidad de que se generen otros productos», añade Concepcion. Además, se ha demostrado que este enfoque es aplicable a otros metales, lo que abre la puerta a la utilización de metales más abundantes y económicos, como el hierro.
El estudio, que se basa en un catalizador de rutenio, ha mostrado resultados prometedores al probar enfoques similares con metales más accesibles, destacando la importancia de avanzar hacia metales abundantes en la Tierra. «No hay nada más abundante que el hierro», concluye Concepcion.
Los investigadores utilizaron de manera intensiva la teoría y la química computacional en el diseño del catalizador y para comprender el mecanismo de reacción. «Estudiamos todo el mecanismo utilizando teoría funcional de densidad», explica Mehmed Ertem, investigador principal del grupo. Este enfoque permitió desentrañar los pasos mediante los cuales los electrones y protones se capturan para transformar el CO2 en formiato, garantizando además que todos los componentes del sistema puedan volver a su forma original para ser utilizados nuevamente, lo que minimiza la generación de residuos.
El estudio ha sido publicado en el Journal of the American Chemical Society, y los autores han confiado en experimentos de laboratorio para validar sus predicciones teóricas y seguir los componentes de la reacción en tiempo real. Un hallazgo clave fue la comprobación de que el intermediario radical catión se mantiene el tiempo suficiente para participar en la reacción, utilizando instalaciones avanzadas que permiten observar procesos químicos a escalas de tiempo muy precisas.
