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Una investigación de la UNED estudia las claves termodinámicas para transformar directamente metano y dióxido de carbono en compuestos de interés industrial como acetona, ácido acético, etanol y dimetil éter.
El trabajo permite comprender mejor qué favorece o dificulta estas reacciones y abre nuevas vías para avanzar hacia procesos capaces de aprovechar dos de los principales gases responsables del calentamiento global sin recurrir a la costosa producción intermedia de gas de síntesis.
¿Qué ocurriría si dos de los principales gases de efecto invernadero pudieran utilizarse para obtener productos químicos de valor añadido? Esa posibilidad está en el centro de la investigación desarrollada por Elena Montejano Nares, Ángel Maroto Valiente, Esther Asedegbega Nieto y Francisco Ivars Barceló, del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la Facultad de Ciencias de la UNED, publicada en Chemical Engineering Journal Advances.
"La principal ventaja por encima de cualquier otra es que el metano y el dióxido de carbono empezarían a ser considerados recursos o materias primas valiosas, y dejarían de ser tratados como residuos que se emiten descontroladamente a la atmósfera en perjuicio de nuestro planeta", explica Francisco Ivars-Barceló, investigador de la UNED y coautor del estudio.
El reto no es menor. Metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂) son dos de los principales gases de efecto invernadero relacionados directamente con el calentamiento global, pero contienen átomos —carbono, hidrógeno y oxígeno— con los que es posible construir moléculas de mayor complejidad y utilidad. El objetivo es aprovecharlos para obtener productos químicos de valor añadido y potenciales portadores de energía sostenible. El problema es conseguir que esa transformación se produzca de una manera suficientemente eficiente.
La vía más estudiada para aprovechar conjuntamente ambos gases pasa por convertirlos primero en gas de síntesis, una mezcla fundamentalmente de monóxido de carbono e hidrógeno que posteriormente puede utilizarse para fabricar otros compuestos. Es una tecnología consolidada, pero ese paso intermedio requiere un elevado aporte energético y añade costes. La alternativa que investiga el equipo de la UNED busca un camino más directo: hacer reaccionar CH₄ y CO₂ para obtener, en un solo proceso, hidrocarburos oxigenados de mayor valor.
El nuevo trabajo aborda una pregunta fundamental: ¿qué permite realmente la termodinámica y en qué condiciones? Para responderla, el equipo ha utilizado Aspen Plus, un software de referencia en simulación de procesos químicos, para estudiar la transformación directa de metano y CO₂ en cuatro productos: ácido acético, etanol, dimetil éter y acetona. Los investigadores han analizado el efecto de temperaturas entre 300 y 1.000 kelvin y presiones entre 1 y 150 atmósferas, así como qué ocurre cuando intervienen moléculas como el oxígeno y el agua o se producen reacciones paralelas.
Las simulaciones dibujan un escenario complejo. En condiciones ambientales y de baja presión, las cuatro reacciones son endotérmicas y no espontáneas y, por tanto, presentan importantes barreras termodinámicas. Sin embargo, los cálculos muestran también que el entorno químico puede modificar ese escenario y que la presencia de otros reactivos puede alterar la espontaneidad de las reacciones.
Además, no todas las reacciones secundarias afectan del mismo modo al proceso. La oxidación completa del metano para producir CO₂ y agua no impide la formación de los hidrocarburos oxigenados estudiados en las condiciones simuladas. En cambio, las reacciones que conducen a monóxido de carbono sí pueden competir con los productos deseados: cuando se permiten en la simulación, la producción de dimetil éter se reduce aproximadamente a la mitad. Los cálculos establecen también un orden de viabilidad termodinámica: ácido acético, acetona, etanol y dimetil éter, de mayor a menor.
La investigación forma parte de una línea en la que el grupo de la UNED lleva años trabajando. En experimentos anteriores habían conseguido realizar la transformación directa de metano y CO₂ mediante catálisis heterogénea térmica a temperaturas y presiones particularmente bajas. En uno de esos trabajos, empleando un nanocompuesto de AgPd₄-Fe₃-δO₄ como catalizador, obtuvieron principalmente acetona y dimetil éter, además de ácido acético en menor proporción.
Y ahí aparece una cuestión reveladora. Si se atendiera exclusivamente al equilibrio termodinámico calculado ahora, el ácido acético debería ser el producto más favorable. Sin embargo, experimentalmente el grupo había observado una selectividad hacia la acetona muy superior a la del ácido acético. La termodinámica marca los límites generales del sistema, pero el resultado de una reacción real depende también de otros factores, como la cinética y las rutas de reacción que puede favorecer un determinado catalizador.
"Los resultados del estudio termodinámico teórico actual reafirman los resultados experimentales que ya habíamos obtenido y nos ayudan a entender caminos y mecanismos de reacción viables hacia la formación de algunos de estos productos", señala Ivars-Barceló.
Esa combinación entre modelización y experimentación permite acotar mejor dónde buscar. "Estos resultados abren las puertas de par en par hacia la posibilidad real" de llevar este tipo de procesos hacia una aplicación práctica, afirma el investigador. Y añade que contribuyen también a justificar "la motivación de los investigadores y la inversión de las entidades para que esto suceda lo antes posible".
El camino hasta una posible aplicación industrial requiere todavía investigación. Los autores subrayan que las simulaciones representan escenarios teóricos y no condiciones que puedan trasladarse directamente a la práctica experimental. Su utilidad está precisamente en identificar las restricciones y oportunidades termodinámicas sobre las que después pueden actuar la química y el diseño de catalizadores.
Los siguientes pasos ya están en marcha. "Se están centrando en implementar estrategias para aumentar el rendimiento en la transformación del metano y el CO₂ y la selectividad hacia los productos de valor deseados. Estas estrategias se basan en el diseño de catalizadores más avanzados y en la búsqueda de condiciones de reacción óptimas", adelanta Ivars-Barceló.
En último término, el desafío es conseguir que dos gases cuya acumulación en la atmósfera constituye un grave problema ambiental puedan convertirse de manera eficiente en materias primas para fabricar moléculas útiles. Saber qué caminos permite la termodinámica, cuáles dificulta y cómo puede intervenir la catálisis acerca un poco más esa posibilidad.
Durante este camino investigador, Elena Montejano-Nares, primera autora del artículo, está a punto de defender su tesis doctoral en la UNED, dirigida por Esther Asedegbega-Nieto y Francisco Ivars-Barceló. Junto a ellos firma el trabajo Ángel Maroto-Valiente, también investigador del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la Facultad de Ciencias de la UNED. El estudio ha contado con financiación de la Agencia Estatal de Investigación (AEI) a través de los programas Ramón y Cajal y Consolidación Investigadora y de un proyecto de Generación de Conocimiento.
Referencia: ScienceDirect
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