Fabricando etileno a partir de aire y electrones

Con la esperanza de frenar el cambio climático, los investigadores están buscando formas de deshacerse del dióxido de carbono que calienta el planeta. Convertir el proceso en algo que aporte valor, como productos químicos industriales, es una doble victoria. Unos investigadores de la Universidad de Toronto y el Instituto de Tecnología de California han conseguido esto último al mejorar la eficiencia de un proceso electroquímico que produce etileno a partir de CO₂ (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1782-2).

“Existe un gran mercado para el etileno”, dice Edward Sargent, ingeniero eléctrico de la Universidad de Toronto. Pero este compuesto también tiene una gran huella de CO₂ porque su fabricación se basa en combustibles fósiles. “Entonces, si pudiéramos fabricar etileno renovable”, dice Sargent, “podríamos sustituir parte del uso de etileno derivado de combustibles fósiles y pasaríamos a consumir CO₂ mientras lo hacemos, en vez de producirlo”.

Para este trabajo, Sargent y sus colegas se asociaron con Jonas Peters y Theodor Agapie de Caltech. Mejoraron su sistema electroquímico al agregar un nuevo recubrimiento a la superficie de su catalizador de cobre. El recubrimiento ayuda a que los compuestos de carbono se adhieran a su superficie, fomentando así las reacciones de acoplamiento que producen etileno. Para favorecer este emparejamiento era necesaria una molécula de acople. Los investigadores dimerizaron una serie de aril-piridinios en la superficie de cobre, lo que permitió que los átomos de carbono se acercaran lo suficiente como para emparejarse y luego experimentar una reducción electroquímica para formar etileno.

El resultado es una reacción en varias etapas, lo que implica muchas transferencias de electrones, apunta Sargent. El equipo alimenta con CO₂ y electrolitos al sistema. El CO₂ se adsorbe sobre el catalizador de cobre, cuyos electrones lo reducen a monóxido de carbono, que luego se une a la superficie. Las moléculas de aril-piridinio dimerizadas dirigen el CO a la posición correcta, configurándolo para el acoplamiento carbono-carbono. Después de la adición de hidrógenos del agua, el sistema arroja etileno.

El sistema es eficiente si se compara con anteriores intentos, ya que convierte el 72% de la energía entrante en etileno. El equipo también realizó la síntesis electroquímica empleando una corriente lo suficientemente alta como para que sea atractiva para la industria. La clave, indica Sargent, fue encontrar el compuesto de aril-piridinio adecuado que maximizase la producción de etileno. “Examinamos una biblioteca bastante amplia de moléculas”, dice el autor, y los investigadores descubrieron que, al prestar mucha atención a cómo las diferentes moléculas de recubrimiento mantenían la carga, podían aumentar la cantidad de etileno que producían.

Idealmente, dice Sargent, la reacción estaría impulsada por electricidad renovable, y el CO₂ provendría de una chimenea industrial. “En lugar de ir a la atmósfera, el CO₂ se convertiría en una materia prima química para la síntesis de algo más valioso”, dice.

Feng Jiao, ingeniero químico de la Universidad de Delaware, dice que el trabajo muestra cómo se puede ajustar la selectividad de reacción al funcionalizar una superficie de catalizador de cobre. Aunque admite que hay margen para mejorar la eficiencia del sistema, indica que es alentador ver que esta reacción se realiza en soluciones neutras, lo cual es una mejora con respecto a una versión anterior del sistema que funcionaba en condiciones altamente alcalinas (Science 2018, DOI: 10.1126/science.aas9100).