Química por ordenador para convertir el dióxido de carbono en metanol

Cada año se producen en el mundo 65 millones de toneladas métricas de metanol, que se utiliza en la fabricación de pinturas, polímeros, pegamentos y disolventes. Además es un combustible potencialmente apto para el transporte, aunque no tan extendido como el etanol. Ahora, un equipo científico internacional ha descubierto un nuevo catalizador que convierte hidrógeno y dióxido de carbono en metanol con menos subproductos que el proceso convencional de fabricación y es potencialmente más limpio y más barato. “Imagínese que pudiera sintetizar metanol utilizando hidrógeno de fuentes renovables (descomponiendo el agua con luz solar, por ejemplo) y dióxido de carbono capturado en las plantas energéticas y otras instalaciones industriales”, comenta Jens Norskov, profesor de ingeniería química de la Universidad de Stanford (EE UU) y uno de los autores del descubrimiento. “También podríamos hacer otros alcoholes, como etanol o propanol que, a diferencia del metanol, se puede añadir ya directamente a la gasolina”, añade.

Los investigadores han dado con el nuevo catalizador, un compuesto de níquel y galio, no por el método tradicional de experimentación en laboratorio, sino que han recurrido al diseño químico por ordenador que permite obtener resultados de compuestos basándose enteramente en cálculos computacionales. Luego, eso sí, han comprobado sus resultados con los clásicos experimentos. Publican los resultados en Nature Chemistry.

“El metanol se produce en grandes fábricas a muy altas presiones utilizando hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono de gas natural”, explica el líder de la investigación, Félix Studt, de Laboratorio Nacional de Aceleradores de Stanford (SLAC). “Nosotros estamos buscando materiales que puedan hacer metanol a partir de fuentes limpias a bajas presiones y creando bajas cantidades de monóxido de carbono”. Se trata, en última instancia, de desarrollar todo un proceso industrial a gran escala que no sea contaminante y que resulte neutro de carbono utilizando hidrógeno limpio, señalan los autores en un comunicado de Stanford.

El catalizador utilizado en el proceso habitual de fabricación está hecho de cobre, cinc y aluminio, en un proceso que exige altas presiones. Studt y sus colegas empezaron por estudiar a fondo este catalizador y el proceso, y una vez que lo entendieron a nivel molecular, empezaron a buscar un nuevo catalizador capaz de sintetizar metanol a bajas presiones y utilizando solo hidrógeno y dióxido de carbono. A partir de este punto de la investigación recurrieron al diseño computerizado de materiales. Pudieron así comparar el catalizador de cobre, zinc y aluminio con miles de otros materiales de una gran base de datos de Stanford. El compuesto de níquel-galio resultó ser el candidato más prometedor por sus propiedades.

El paso siguiente era probar lo en laboratorio el nuevo catalizador y para ello, los estadounidenses recurrieron al equipo de Ib Chorkendorff, de la Universidad Técnica de Dinamarca. Primero sintetizaron el compuesto de níquel y galio en un catalizador sólido y luego comprobaron que efectivamente podía producir metanol a presión ambiente, confirmando que el ordenador había ayudado a hacer la elección correcta. A alta temperatura, el níquel galio produce más metanol que el catalizador convencional de cobre, cinc y aluminio, señalan los expertos de Stanford, y considerablemente menos derivados de monóxido de carbono. Además, añade Chorkendorff, el níquel-galio es un sólido muy estable.

Studt y sus colegas advierten que todavía tienen que mejorar y adaptar el proceso para su aplicación industrial, pero destacan que, de entrada, el níquel es relativamente abundante y que el galio, aunque es más costoso, se utiliza ampliamente en la industria electrónica, lo que sugiere que su uso puede ser idóneo y eficaz en la producción del metanol.