Para convertir metano en metanol líquido con un menor gasto energético

Un método puesto a prueba en la Universidad Federal de São Carlos, en Brasil, permite que esta transformación se concrete en condiciones ambientales de temperatura y presión, lo que puede viabilizar en el futuro el empleo de este gas de efecto invernadero en la producción de combustibles. El proceso que se aplica actualmente en las industrias químicas consume grandes cantidades de energía (foto: archivo de los investigadores)

Luciana Constantino | Agência FAPESP – Científicos brasileños lograron convertir metano en metanol mediante el empleo de luz y metales de transición dispersos como el cobre, en el marco de un proceso de fotooxidación. Este trabajo salió publicado en la revista científica Chemical Communications y, de acuerdo con el artículo en cuestión, fue el mejor rendimiento hasta ahora informado para la conversión de este gas en combustible líquido en condiciones ambientales de temperatura y presión: 25 °C y 1 bar respectivamente.

El bar, del griego barys (que significa “pesado”), es una unidad de presión equivalente a 100 mil pascales (105 Pa), un valor muy cercano al de la presión atmosférica normal (101.325 Pa).

El resultado de este trabajo constituye un importante paso en el aprovechamiento del gas natural, y podrá volver factible a esa fuente de energía para la producción de combustibles en el futuro, a los efectos de convertirla en una alternativa a la gasolina y al gasoil. Pese a considerarse como un combustible fósil, la conversión del gas natural en metanol genera menos dióxido de carbono (CO2) cuando se lo compara con otros tipos de combustibles líquidos de esa categoría.

En el mercado brasileño, el metanol posee un papel crucial para la producción de biodiésel y para la industria química, y se lo emplea como insumo en la síntesis de innumerables productos químicos.

Asimismo, la captura de metano de la atmósfera cumple un rol relevante en la mitigación de los efectos de los cambios climáticos, ya que este gas posee 25 veces más potencial de contribuir al calentamiento global que el CO2, por ejemplo.

“Existe en el medio científico un gran debate sobre la cantidad de reservas de metano existentes en el mundo. Se estima que tienen el doble del potencial energético de todos los demás combustibles fósiles existentes. En la transición hacia las energías renovables, necesitaremos contar con el metano en algún momento”, le explica a Agência FAPESP el doctorando Marcos da Silva, del Departamento de Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), primer autor del artículo.

El estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de dos proyectos (20/14741-6 y 21/11162-8). Y también con el de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes, dependiente del Ministerio de Educación de Brasil) y el del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq, ligado al Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil).

Para el profesor de la UFSCar Ivo Freitas Teixeira, director de tesis de Da Silva y autor corresponsal del artículo, una de las novedades de esta investigación fue el fotocalizador. “La gran innovación que nuestro grupo concretó consistió en oxidar en una sola etapa el metano. En la industria química, esta transformación se lleva a cabo mediante la producción de hidrógeno y CO2 en al menos dos etapas y en condiciones de temperatura y presión muy altas. El avance reside en haberlo logrado en condiciones más blandas, con un menor gasto de energía y obteniendo metanol”, afirma Freitas Teixeira.

Según el profesor, estos resultados abren el camino para que nuevas investigaciones apunten a adoptar la energía solar como promotor de este proceso, a los efectos de disminuir aún más el impacto ambiental.

Paso por paso

En el laboratorio, los científicos sintetizaron nitruros de carbono cristalino (PHI) con metales de transición no nobles o abundantes, principalmente cobre, generando fotocatalizadores activos de luz visible.

Esos fotocatalizadores se emplearon en reacciones de oxidación de metano utilizando peróxido de hidrógeno como iniciador. El catalizador de cobre-PHI generó grandes cantidades de productos líquidos oxigenados, especialmente metanol (2.900 µmol.g-1, una unidad de medida denominada micromol por gramo de material), en un período de cuatro horas.

“Descubrimos cuál es el mejor catalizador y otras condiciones esenciales para la reacción química, como el uso de abundante agua y solamente un poco de peróxido de hidrógeno, que es un agente oxidante. Ahora bien, para los próximos pasos, deberemos entender un poco más sobre los sitios activos de cobre en el material y su papel en la reacción. Y pretendemos también utilizar directamente el oxígeno para producir en teoría el peróxido de hidrógeno en la propia reacción, a los efectos de que el proceso se vuelva aún más seguro y factible económicamente”, complementa Freitas Teixeira.

De acuerdo con el profesor, otro punto que el grupo seguirá investigando está relacionado con el cobre. “Trabajamos con cobre disperso. Cuando concluimos la elaboración del artículo aún no sabíamos si eran átomos aislados o clústeres. Actualmente sabemos que son clústeres”, afirma.

En el estudio, los científicos trabajaron con metano puro. Sin embargo, en el futuro pretenden emplear fuentes renovables, como el gas extraído de la biomasa.

De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas (ONU), el metano ha sido responsable de alrededor del 30 % del calentamiento global desde la época preindustrial. Para la ONU, las emisiones de metano causadas por el ser humano podrían reducirse hasta un 45 % durante la próxima década, evitando así casi 0,3°C de calentamiento global para 2045.

Los investigadores consignan que este tipo de estrategias de conversión de gas en combustible líquido utilizando un fotocatalizador es reciente y, por ende, no se encuentra aún disponible comercialmente, pero cuenta con un gran potencial con la mira puesta en los próximos años. “Empezamos nuestro trabajo hace más de cuatro años. Ahora hemos obtenido un resultado mucho mejor que el del grupo del profesor Hutchings en 2017, que motivó nuestro trabajo”, dice Freitas Teixeira.

El investigador hace referencia al estudio publicado por un grupo de científicos de universidades de Estados Unidos y Gran Bretaña en la revista Science, encabezado por el profesor Grahan Hutchings, de la Cardiff University.

Puede leerse el artículo intitulado Selective methane photooxidation into methanol under mild conditions promoted by highly dispersed Cu atoms on crystalline carbon nitrides en el siguiente enlace: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cc/d2cc01757a.