Identifican el 'centro activo' de una reacción de interés industrial

Las transformaciones de las especies químicas en la superficie de los catalizadores, de gran interés industrial, no ocurren en cualquier parte, sino en lugares muy específicos denominados ‘centros activos’. Su identificación, modificación y promoción es un problema esencial en el desarrollo de nuevos catalizadores.

Ahora, el grupo de Ciencia de Superficies de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha identificado el centro activo de una determinada reacción química: la oxidación de metanol en superficies de rutenio. Esta reacción tiene relación directa con la llamada economía del hidrógeno, en la que se utiliza este elemento para obtener electricidad con las pilas de combustible.

Dentro de este esquema, un combustible alternativo al hidrógeno es el metanol, una molécula pequeña pero con un alto contenido relativo de hidrógeno. El metanol tiene ventajas frente al hidrógeno en cuanto a su almacenamiento y distribución, al ser líquido a temperatura ambiente.

Actualmente las investigaciones se centran en el desarrollo de catalizadores, la mayoría de ellos basados en rutenio, que extraigan el hidrógeno del metanol de forma eficiente. Después se inserta en la pila de combustible y se obtiene electricidad de forma similar a como se hace cuando se usa hidrógeno como combustible primario.

El equipo ha observado que al exponer una superficie de rutenio a metanol, éste se deshidrogena dando lugar a monóxido de carbono e hidrógeno, según la reacción CH₃OH → CO+2H₂.

Un problema de adherencia

“El problema fundamental que plantea esta reacción es que el CO se adhiere fuertemente al substrato, envenenándolo y cesando cualquier actividad química. Por tanto, es necesario oxidar a su vez el CO a CO₂ para que éste se ‘desorba’ y deje libre parte de la superficie, permitiendo a su vez la continuidad de la actividad catalítica”, explica Óscar Rodríguez de la Fuente, profesor del Departamento de Física de Materiales de la UCM y coautor del estudio publicado en las revistas Surface Science y ChemPhysChem.

Los investigadores han estudiado la coadsorción de oxígeno y metanol, reduciendo así el envenenamiento del catalizador. La coadsorción presenta diferencias cualitativas en cuanto a la actividad química pues se detectan nuevas especies químicas intermedias que no se observaban cuando la adsorción era exclusivamente de metanol.

Se identifica además una nueva especie molecular, llamada formiato (HCOO), que es catalizado exclusivamente en presencia de defectos en la superficie del rutenio. Estos defectos, llamados escalones, son imperfecciones de la superficie a nivel atómico, creados de forma intencionada por los autores del trabajo mediante colisiones con iones, pero que se encuentran presentes en cualquier catalizador real. El formiato es, a su vez, el precursor del CO₂, siendo su formación por lo tanto un paso previo ineludible para la oxidación completa del metanol y por ende para la extracción eficiente del hidrógeno.

Este trabajo es uno de los pocos ejemplos existentes en la literatura en los que se identifica sin ambigüedad el centro activo de una reacción química concreta. Las consecuencias pueden ser relevantes, ya que además de que la reacción estudiada tiene interés práctico en sí misma, los mecanismos propuestos pueden ser además extensibles a otras reacciones.

La búsqueda de nuevas formas de energía que sean eficientes y que generen un reducido grado de contaminación marca actualmente un buen número de líneas de investigación en el área de ciencia de materiales. El desarrollo de catalizadores es un ejemplo de ello. Estos son sustancias sólidas que, sin modificarse sustancialmente ni formar parte del producto final, aceleran una determinada reacción química.

En los coches encontramos catalizadores que reducen la emisión de gases nocivos, transformando, por ejemplo, el monóxido de carbono en dióxido de carbono,. Estas reacciones tienen lugar exclusivamente en la superficie del catalizador. Además, buena parte de los materiales artificiales requieren para su síntesis de la presencia de catalizadores.