Un nuevo catalizador de oro establece un récord en química verde

El acetaldehído es un componente químico esencial en la fabricación moderna, comúnmente producido mediante un proceso costoso y con un alto impacto ambiental. Sin embargo, un equipo de investigadores del Instituto de Física Química de Dalian, perteneciente a la Academia China de Ciencias, logró un avance significativo al desarrollar un nuevo catalizador que transforma el bioetanol en acetaldehído de manera más sostenible.

El nuevo diseño de catalizador, que combina oro, manganeso y cobre, permite alcanzar un rendimiento del 95% a solo 225°C, manteniendo la estabilidad durante horas. Este descubrimiento representa un paso hacia métodos de producción más limpios y sostenibles para productos químicos industriales clave.

Más de diez años atrás, los investigadores Liu y Hensen habían demostrado un avance importante utilizando un catalizador de Au/MgCuCr₂O₄, que lograba rendimientos superiores al 95% a 250°C. Sin embargo, la búsqueda de catalizadores no tóxicos que funcionen a temperaturas más bajas había permanecido como un desafío sin resolver.

El equipo liderado por el profesor Peng Liu de la Universidad Huazhong de Ciencia y Tecnología y el profesor Emiel J.M. Hensen de la Universidad Tecnológica de Eindhoven diseñó una serie de catalizadores Au/LaMnCuO₃ con diferentes proporciones de manganeso y cobre. El catalizador Au/LaMn_0.75Cu_0.25O₃ destacó por su fuerte interacción cooperativa entre las nanopartículas de oro y la estructura de perovskita moderadamente dopada con cobre.

Esta sinergia cuidadosamente ajustada permitió que la oxidación del etanol se llevara a cabo de manera eficiente a temperaturas inferiores a 250°C. Los resultados, publicados en el Chinese Journal of Catalysis, superaron el rendimiento del catalizador Au/MgCuCr₂O₄ anterior.

Para optimizar el diseño del catalizador, los investigadores se centraron en soportes de catalizador basados en perovskita, producidos mediante un proceso de combustión sol-gel y recubiertos con nanopartículas de oro. Ajustando el contenido de manganeso y cobre, identificaron una formulación óptima que logró un rendimiento del 95% de acetaldehído a 225°C y permaneció estable durante 80 horas.

Los catalizadores con niveles más altos de cobre mostraron un rendimiento inferior, ya que el cobre tiende a perder su estado químico activo durante la reacción. El fuerte rendimiento del catalizador optimizado se atribuyó a la interacción cooperativa entre los iones de oro, manganeso y cobre.

Los investigadores realizaron estudios computacionales detallados utilizando teoría de funcional de densidad y modelado microcinético para explicar el excelente rendimiento del nuevo catalizador. Estas simulaciones mostraron que la introducción de cobre en la estructura de perovskita crea sitios altamente activos cerca de las partículas de oro, facilitando la reacción entre las moléculas de oxígeno y etanol.

El catalizador optimizado también disminuyó la barrera energética para pasos clave de la reacción, permitiendo que el proceso se desarrollara de manera más eficiente. Los datos experimentales y el modelado teórico enfatizan la importancia de ajustar con precisión la composición del catalizador para lograr una mayor eficiencia y mejor estabilidad.