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El sector industrial de la Unión Europea consume, cada año, unos 70 000 millones de metros cúbicos de gas natural. Cerca del 15 % se emplea como materia prima química para fabricar desde fertilizantes a aromatizantes mediante el proceso de la catálisis heterogénea.
«Las personas no suelen pensar mucho en ello, pero dependemos muchísimo de esta tecnología», comenta el coordinador del proyecto CATACOAT, Jeremy Scott Luterbacher, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana.
«No hay una sola molécula de gasolina ni una sola molécula de plástico que no haya interactuado en algún momento con un catalizador heterogéneo (por lo general un óxido metálico). Si no empleáramos más la catálisis heterogénea, la sociedad dejaría de funcionar con extrema rapidez».
Protección de catalizadores para materias primas renovables
Si bien los combustibles fósiles constituyen la materia prima de muchos productos químicos industriales, se han hecho esfuerzos concertados para utilizar fuentes renovables de carbono como, por ejemplo, las plantas. No obstante, las reacciones no deseadas entre los catalizadores heterogéneos y estas materias primas alternativas pueden dificultar su empleo. Los catalizadores heterogéneos tienden a ser sensibles al agua, que a menudo se encuentra en las materias primas vegetales, y contienen metales que se filtran en esta agua durante el procesamiento.
El objetivo del proyecto CATACOAT, que contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación, era abordar este problema recubriendo las moléculas catalíticas con una capa protectora, para así poder emplearlas en compuestos acuosos ricos en oxígeno. «La idea básica era bastante sencilla», comenta Luterbacher. «Queríamos emplear materiales catalíticos convencionales, que son muy sensibles a las condiciones de las materias primas renovables, y hacerlos más resistentes».
Uno de los principales inconvenientes era que, aunque estas moléculas catalizadoras necesitaban protección frente a la materia prima, tenían que estar en estrecho contacto con ella para funcionar. Ello significaba que la capa protectora tenía que ser porosa y muy fina, es decir, una capa de un grosor de entre 5 a 50 átomos. Para tal fin, el equipo desarrolló y probó nuevas técnicas de deposición de capa fina de óxidos metálicos.
«Logramos demostrar que podíamos proporcionar un blindaje a estos catalizadores y que, a continuación, estos se podían emplear para procesar materia prima de carbono renovable de origen vegetal», agrega Luterbacher. «Los catalizadores convencionales se habrían destruido en estas condiciones».
Control de catalizadores a nivel atómico
El equipo no solo logró su objetivo principal, sino que además hizo algunos descubrimientos inesperados. «Nos centramos sobre todo en intentar controlar la estratificación del revestimiento», explica Luterbacher. «Al hacerlo, desarrollamos un método muy interesante».
A medida que el equipo construía una capa protectora, átomo a átomo, descubrió que se podía hacer crecer estas capas a partir de un «ancla» en la superficie de la molécula objetivo, para así crear una especie de grupo atómico, o isla. Aunque este trabajo aún está en sus primeras fases, la técnica podría ofrecer a los científicos un mayor control de las moléculas a nivel atómico, lo cual posibilitaría crear catalizadores mejores y más eficaces.
«Creemos que podría ser una herramienta de amplio uso, con muchas aplicaciones industriales», observa Luterbacher. «Algunas de estas aplicaciones podrían funcionar y otras no. En este momento no lo podemos saber, pero se trata de un avance interesante».
Perfumes, plásticos y más usos potenciales
El proyecto CATACOAT ha contribuido a una empresa comercial, creada previamente por el laboratorio de Luterbacher, para llevar al mercado su investigación puntera. «Esta empresa derivada trata de encontrar formas de fabricar productos químicos renovables a partir de plantas y sustituir los productos químicos derivados de combustibles fósiles», explica Luterbacher. «Los posibles usos finales incluyen esencias y perfumes, así como biomateriales y bioplásticos».
Luterbacher también cree que el proyecto ha permitido a su laboratorio generar y combinar conocimientos especializados tanto en catálisis heterogénea como en química vegetal. A largo plazo, ello ayudará a la industria a encontrar formas de avanzar hacia productos químicos renovables. «Por eso es tan importante la investigación fundamental como la nuestra», añade Luterbacher. «Tenemos que invertir en ideas cuyos resultados no sean necesariamente utilizables de inmediato, pero que puedan ser esenciales más adelante».