Comprender el poder de la catálisis

¿Qué es la catálisis y qué hace un catalizador?

Desde hornear pan hasta fabricar papel , los seres humanos hemos aprovechado sin saberlo el poder de la catálisis durante miles de años. De hecho, casi todo lo que forma parte de su vida cotidiana se ha producido mediante el proceso de catálisis. Los catalizadores son sustancias que facilitan las reacciones químicas al reducir la energía de activación necesaria para que la reacción se produzca. Aumentan la velocidad de la reacción sin consumirse ni alterarse permanentemente en el proceso. Sus propiedades únicas los han hecho indispensables en una miríada de aplicaciones del mundo real , desde combustibles y pesticidas hasta el desarrollo de fármacos que salvan vidas.

Por ejemplo, una de las reacciones más destacadas facilitadas por catalizadores, el "proceso Haber-Bosch", produce amoníaco para fertilizantes y agricultura a escala industrial. El uso de catalizadores reduce enormemente el coste y acelera la producción de amoníaco. Incluso hoy en día, el proceso Haber-Bosch es el principal método de producción de amoníaco.

Otro ejemplo se encuentra en los convertidores catalíticos de los automóviles, que utilizan platino, paladio o rodio para reducir en un 90% las emisiones de compuestos tóxicos como hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno.

El papel de la catálisis en la química sostenible

Aunque la sostenibilidad pueda parecer una palabra de moda reciente, las prácticas medioambientales sostenibles han estado firmemente en la agenda desde la publicación del informe de las Naciones Unidas (ONU) ‘Nuestro Futuro Común’ en 1987. Este informe pionero trazó los principios rectores del desarrollo sostenible tal y como se entiende generalmente hoy en día, definiendo el concepto como "el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades". Esta definición resume la importancia de implementar la sostenibilidad en todos los productos manufacturados.

El creciente énfasis en la sostenibilidad ha desencadenado un movimiento transformador hacia la química sostenible o química 'verde' , revolucionando la forma en que diseñamos productos y procesos. Este enfoque innovador busca mejorar la eficiencia en la utilización de los recursos naturales en la producción química. Se persiguen tres vías cruciales para lograr este objetivo: minimizar el consumo de energía, adoptar productos químicos respetuosos con el medio ambiente y gestionar eficazmente los ciclos de vida de los materiales. A través de estos métodos, la química sostenible está allanando el camino hacia un futuro más ecológico y eficiente en el uso de los recursos.

Los catalizadores desempeñan un papel fundamental en nuestra búsqueda de prácticas sostenibles, ofreciendo una herramienta valiosa para facilitar los objetivos. Han contribuido a la creación de plásticos biodegradables, reduciendo nuestra dependencia de materiales nocivos. Además, los catalizadores son fundamentales en la producción de combustibles y fertilizantes, optimizando la eficiencia y minimizando los residuos. Aprovechar el poder de la catálisis nos permite lograr hitos notables en diversos campos mientras adoptamos la sostenibilidad como principio rector.

Con la creciente demanda de catalizadores, ha aumentado la necesidad de productos respetuosos con el medio ambiente para abordar los problemas de la producción de energía sostenible, reducir las emisiones industriales y combatir el cambio climático. Utilizando datos de la CAS Content Collection™, exploraremos las tendencias actuales de investigación en catálisis sostenible, destacando los avances clave en este campo.

Hacer que los catalizadores sean más sostenibles

Los metales nobles como el platino, el paladio y el iridio se utilizan ampliamente por sus deseadas propiedades catalíticas, tales como su alta estabilidad y tolerancia a la temperatura. También se emplean para facilitar una amplia gama de reacciones químicas, incluyendo el acoplamiento de Sonogashira, el acoplamiento de Suzuki-Miyaura y la reacción de Heck.

Sin embargo, la utilidad de los metales nobles se ve limitada por su elevado coste y su escasa disponibilidad. Estos metales preciosos se obtienen principalmente a partir de grandes cantidades de minerales de baja ley, lo que requiere importantes esfuerzos de minería para extraer incluso pequeñas cantidades. Este proceso de extracción no solo exige un consumo energético considerable, sino que también conlleva posibles daños medioambientales. Por consiguiente, la utilización de metales nobles en aplicaciones catalíticas debe sopesarse cuidadosamente frente al impacto medioambiental y la sostenibilidad de dichas prácticas.

Las limitaciones que plantean los costes económicos y medioambientales de los metales nobles, junto con la creciente demanda mundial de catalizadores, han impulsado a los investigadores a explorar opciones alternativas, en particular metales de transición no nobles como el titanio, el hierro, el cobalto y el níquel. Estos metales ofrecen varias ventajas frente a sus homólogos nobles. En primer lugar, son más abundantes, lo que garantiza un suministro sostenible para aplicaciones catalíticas. Además, los metales de transición no nobles son más rentables, lo que los convierte en opciones económicamente viables. Asimismo, presentan niveles de toxicidad bajos, lo que reduce los posibles riesgos tanto en la producción como en la aplicación. Es importante destacar que estos metales son inocuos para el medio ambiente, lo que minimiza los efectos ecológicos adversos.

Aunque los metales no nobles representan una alternativa prometedora, es importante reconocer que no están exentos de sus propios desafíos. Los metales no nobles suelen ser más reactivos que los nobles; esta reactividad puede provocar la degradación de los catalizadores (reduciendo su durabilidad) y una actividad catalítica menos selectiva (lo que genera subproductos, residuos y reduce la eficiencia del proceso). Además, la caracterización de los metales no nobles puede ser compleja y exigente (Tabla 1).

No obstante, el desarrollo de catalizadores sostenibles con metales no nobles está ganando terreno. Los datos de la CAS Content Collection revelan un gran aumento en las publicaciones sobre catalizadores y catálisis con metales no nobles entre 2012 y 2022 (Figura 1).

Tecnologías y avances en catálisis

A lo largo de las últimas décadas, se ha desarrollado una serie de catalizadores especializados para aplicaciones esenciales en el mundo real. Estos catalizadores se dividen, a grandes rasgos, en cuatro subcategorías: electrocatalizadores, fotocatalizadores, catalizadores homogéneos y biocatalizadores (o enzimas).

Los datos de la CAS Content Collection muestran que las publicaciones relacionadas con los electrocatalizadores son predominantes en la química sostenible que utiliza catalizadores de metales no nobles (Figura 2 y Figura 3). Los electrocatalizadores participan en reacciones electroquímicas, ya sea como electrodos o como materiales catalíticos aplicados sobre las superficies de los electrodos. Tradicionalmente, el platino se ha empleado ampliamente en electrocatálisis. Sin embargo, su disponibilidad limitada y su alto coste han llevado a los investigadores a explorar alternativas. Un ejemplo notable es el uso de grafeno dopado con nitrógeno y enriquecido con átomos de cobalto, que ha demostrado ser un catalizador eficiente y duradero para generar hidrógeno a partir de agua. Enfoques como este representan un paso significativo hacia catalizadores de menor coste para la producción de energía.

La fotocatálisis es un proceso mediante el cual los materiales semiconductores absorben energía lumínica y producen pares electrón-hueco que impulsan reacciones de reducción y oxidación. Es importante para resolver problemas energéticos y medioambientales en reacciones como la división del agua para producir hidrógeno y la descomposición de contaminantes, respectivamente (Figura 4). Sin embargo, un importante desafío de investigación es encontrar materiales semiconductores de metales no nobles capaces de dividir el agua utilizando únicamente energía solar. Se están explorando varias estrategias en este ámbito, incluido el uso de cocatalizadores o nanointegración multicomponente .

Los metales nobles como el platino y el paladio también predominan en la catálisis homogénea debido a su alta actividad, estabilidad y versatilidad. Sin embargo, encontrar sustitutos para los metales nobles en los catalizadores homogéneos representa un desafío complejo y continuo para los investigadores. Una reacción clave facilitada por estos catalizadores es el acoplamiento de Suzuki. Es famoso el caso de informes en los que los autores afirmaban haber demostrado un acoplamiento de Suzuki sin paladio, que más tarde se demostró que estaba catalizado por bajos niveles de contaminantes de paladio. No obstante, el uso de iniciadores de reacciones radicalarias como el yodo, la eosina y el yoduro de tetrabutilamonio resulta prometedor en este campo (Figura 5).

Los biocatalizadores, que son catalizadores basados en enzimas, ofrecen un ejemplo notable de catalizadores ecológicos y sostenibles. Producidos a partir de materias primas renovables fácilmente disponibles, son orgánicos, biodegradables, no tóxicos y pueden funcionar en condiciones de reacción suaves. Una aplicación potencial clave de los biocatalizadores es la generación sostenible de biocombustibles a partir de aceites y grasas vegetales mediante la transesterificación de ácidos grasos con metanol. La reacción produce biodiésel (ésteres metílicos de ácidos grasos) y glicerol como subproducto (Figura 6). La combinación de biocatalizadores y catalizadores metálicos es también un enfoque emergente para lograr la sostenibilidad en la producción de moléculas valiosas.

Un catalizador para el cambio

Tras la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP27) y la Conferencia de las Naciones Unidas sobre la Biodiversidad (COP15), se ha producido un notable aumento de los compromisos corporativos para adoptar prácticas más sostenibles. Dado que los catalizadores siguen siendo indispensables en la industria química, existe un impulso creciente para explorar nuevos conceptos catalíticos que puedan mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la fabricación de productos esenciales. Reconociendo esta necesidad, el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha asumido el compromiso dedicado de apoyar la investigación fundamental sobre catalizadores.

Los importantes avances en la investigación de catalizadores sostenibles durante la última década demuestran que la búsqueda de soluciones respetuosas con el medio ambiente está en pleno desarrollo. Aunque el potencial de este mercado aún no se ha alcanzado por completo, prevemos un futuro prometedor para los catalizadores basados en metales no nobles en diversos ámbitos, que abarcan sustancias orgánicas, inorgánicas y de origen biológico.

Para obtener más información sobre el futuro de la catálisis sostenible, le invitamos a consultar nuestra reciente publicación en ChemRxV.

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