Nuevo catalizador para la conversión de metano a formaldehído con luz solar
En las ultimas décadas los problemas ambientales se han agravado debido a la emisión de gases de efecto invernadero, entre los que destacan el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4), sobre todo este último, aunque menos persistente, produce un efecto invernadero más de 20 veces mayor que el CO2. En este sentido, se hace necesario gestionar mejor este tipo de gases para reducir la contaminación de la atmósfera, y una manera es buscar su transformación en sustancias aprovechables, y en el caso del metano, se puede lograr su transformación, mediante la adición de grupos funcionales, en moléculas de interés industrial. Y un grupo de investigadores ha desarrollado un catalizador que impulsado por luz solar puede convertir el metano en formaldehido.
Nuevo método convierte metano en formaldehído. Fuente: @emiliomoron, la imagen de fondo es de dominio público.
Hasta ahora, a nivel industrial el aprovechamiento de metano solo se ha orientado a la generación de energía, sin embargo, muchas investigaciones se han realizado para realizar la oxidación parcial de este gas con la finalidad de obtener productos químicos de interés, como el formaldehído, lo que podría generar una disminución de costos de producción de este compuesto, ya que el proceso actual de síntesis es un proceso catalítico que implica poner en contacto metanol disuelto en una corriente de aire utilizando plata como catalizador.
Producción de formaldehído a partir de metanol
El formaldehído es un compuesto químico de tipo orgánico, específicamente un aldehído con formula molecular H2C=O, es un compuesto muy utilizado en la industria química, siendo una materia prima esencial para la fabricación de resinas utilizadas como adhesivos para los aglomerados de madera y resinas utilizadas en la fabricación de plásticos para la industria automotriz, también sirve como intermedio para la fabricación de otros compuestos, como el 1,4-butilenglicol, poliformaldehído y pesticidas. Quizás sea más reconocido el uso de sus soluciones acuosas, que se dan a conocer como formol, la solución empleada para la preservación de muestras biológicas.
Uno de los usos más conocidos del formaldehído es su aplicación para la preservación de muestras biológicas. Fuente: Wikimedia.org.
La fabricación de formaldehído inició en el siglo XVIII mediante la reacción no catalítica de oxidación de propano y butano, pero este proceso tenia un alto costo y se obtenía una mezcla de productos que hacían difícil y costosa la purificación del producto. A principios del siglo XX comenzó verdaderamente un proceso industrial mediante la reacción de deshidrogenación catalizada por plata. En este proceso, una mezcla de metanol y aire es sometida temperatura de 600 °C y puesta en contacto con un catalizador a base de plata, la reacción de deshidrogenación catalítica procede según la siguiente reacción:
La producción industrial de formaldehído a partir de metanol se realiza en dos etapas, primeramente se utiliza como materia prima gas de síntesis que es obtenido del gas metano, este gas de síntesis se convierte en metanol, que luego se convierte en formaldehído.
Si bien este proceso es más factible en términos de rendimiento tiene como desventaja un elevado consumo de metanol, la necesidad de elevadas temperaturas para favorecer la selectividad y la utilización de catalizadores muy costosos, lo que es una preocupación constante en las industrias.
Es por eso que se investigaron, y se siguen investigando, otros métodos alternativos para mejorar las condiciones de operación del proceso. Entre las alternativas se han evaluado nuevos catalizadores, una de las alternativas que presentó una mejora considerable en la actividad para la reacción fue un catalizador de molibdato de hierro, que logra oxidar directamente el metanol a formaldehído siguiendo la siguiente reacción:
Este catalizador, disponible generalmente como Fe2(MoO4)3, en comparación con el catalizador de plata hizo que la mezcla aire y metanol necesitara una proporción menor de metanol y más baja temperatura, incluso resulto ser mas resistente al envenenamiento, lo que son grandes mejoras en el proceso. Es por ello que se continúan buscando sistemas catalíticos que mejoren las condiciones o el rendimiento de la reacción.
Nuevo catalizador alimentado por luz solar
Lograr el reformado de metano en metanol es muy deseable para brindar más usos al metano que solo combustible, pero conseguir convertir el metano en metanol y luego en formaldehido es difícil. Pero recientemente un grupo de investigadores ha reportado haber conseguido un sistema catalítico altamente efectivo para convertir metano en formaldehido.
Este sistema catalítico está compuesto por un conjunto de especies de cobre disperso sobre tungsteno parcialmente reducido y estabilizado sobre oxide de tungsteno rico en vacantes de oxígeno que permite la conversión fotocatalítica del metano a formaldehido bajo luz visible, como la luz solar, con una elevada selectividad.
El catalizador promueve la formación de especies reactivas que conducen a la formación de formaldehído. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint con datos de la investigación.
Mediante análisis EPR y XPS in situ los investigadores concluyen que el cobre actúa como aceptor de electrones, lo que promueve la transferencia de electrones fotoinducida generando especies químicamente reactivas, mientras que el tungsteno actúa como lugar para la adsorción y activación de moléculas de agua para producir iones hidroxilo y de moléculas de metano para producir radicales metilo.
La sinergia entre estas especies químicas brindó grandes resultados de conversión y una selectividad de casi 100%, lo que abre las puertas a la investigación de fotocatalizadores para la conversión de metano en formaldehído.
Bueno amigos, convertir metano en formaldehido es un proceso muy demandado en la actualidad debido a los diferentes productos que se pueden obtener de este compuesto, por lo que obtener una vía de síntesis impulsada por luz solar que permita el aprovechamiento de este gas de efecto invernadero en otros usos diferentes a la obtención de energía sería una forma de obtener procesos más sostenibles en la industria química.
Referencias
Wikipedia.org. Formaldehído.
Hilman Ibnu Mahdi, Hurfhadila Nasya Ramlee, Danilo Henrique da Silva, et al. (2023). Formaldehyde production using methanol and heterogeneous solid catalysts: A comprehensive review. Molecular Catalysis, Volume 537, 112944.
Muhammad Irfan Malik, Nicolas Abatzoglou, Inès Esma Achouri (2021). Methanol to Formaldehyde: An Overview of Surface Studies and Performance of an Iron Molybdate Catalyst. Catalysts, 11(8), 893.
Luo, L., Han, X., Wang, K. et al. Nearly 100% selective and visible-light-driven methane conversion to formaldehyde via. single-atom Cu and Wδ+. Nat Commun 14, 2690 (2023).
Thanks for your contribution to the STEMsocial community. Feel free to join us on discord to get to know the rest of us!
Please consider delegating to the @stemsocial account (85% of the curation rewards are returned).
You may also include @stemsocial as a beneficiary of the rewards of this post to get a stronger support.
Congratulations @emiliomoron! You have completed the following achievement on the Hive blockchain And have been rewarded with New badge(s)
Your next payout target is 12000 HP.
The unit is Hive Power equivalent because post and comment rewards can be split into HP and HBD
You can view your badges on your board and compare yourself to others in the Ranking
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word
STOP