Muchos productos comunes, incluyendo plásticos y detergentes, dependen de reacciones químicas que utilizan catalizadores fabricados con metales preciosos como el platino. Estos metales son efectivos, pero costosos y de suministro limitado. Durante años, los científicos han buscado alternativas más económicas y sostenibles. Una opción prometedora es el carburo de tungsteno, un material abundante en la Tierra que ya se utiliza ampliamente en maquinaria industrial, herramientas de corte y cinceles.
A pesar de su potencial, el carburo de tungsteno no ha sido fácil de utilizar como catalizador. Su comportamiento químico puede ser impredecible, lo que ha restringido su adopción generalizada. Investigadores liderados por Marc Porosoff, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y Sostenibilidad de la Universidad de Rochester, han logrado avances importantes que podrían permitir que el carburo de tungsteno compita con el platino en reacciones químicas clave.
Por qué la estructura atómica es importante
Según Sinhara Perera, estudiante de doctorado en ingeniería química en el laboratorio de Porosoff, uno de los principales desafíos radica en cómo se organizan los átomos de carburo de tungsteno.
Los átomos de carburo de tungsteno pueden formar muchas configuraciones diferentes, conocidas como fases, explica Perera. Estas fases pueden influir significativamente en el rendimiento del material como catalizador.
«No se ha tenido una comprensión clara de la estructura superficial del carburo de tungsteno porque es realmente difícil medir la superficie catalítica dentro de las cámaras donde tienen lugar estas reacciones químicas», afirma.
Para abordar este problema, el equipo de investigación diseñó un método para controlar con precisión la estructura del carburo de tungsteno durante las reacciones activas. En un estudio publicado en ACS Catalysis, Porosoff, Perera y la estudiante de ingeniería química Eva Ciuffetelli ’27 manipularon partículas de carburo de tungsteno a nanoescala dentro de reactores químicos que operan a temperaturas superiores a 700 grados Celsius.
Utilizando una técnica llamada carburación programada por temperatura, los investigadores crearon catalizadores de carburo de tungsteno en fases específicas directamente dentro del reactor. Luego, realizaron reacciones químicas y analizaron qué versiones ofrecieron el mejor rendimiento.
«Algunas de las fases son más termodinámicamente estables, por lo que es donde el catalizador inherentemente quiere terminar», dice Porosoff. «Pero otras fases que son menos termodinámicamente estables son más efectivas como catalizadores».
El equipo identificó una fase en particular, β-W2C, que mostró un rendimiento excepcional en reacciones que convierten el dióxido de carbono en componentes básicos clave para combustibles y productos químicos útiles. Con una optimización adicional por parte de la industria, los investigadores creen que esta forma de carburo de tungsteno podría igualar la efectividad del platino sin su alto precio o limitaciones de suministro.
Transformando residuos plásticos en nuevos materiales
Más allá de la conversión de dióxido de carbono, Porosoff y sus colaboradores también han explorado el carburo de tungsteno como catalizador para el reciclaje de residuos plásticos. Su trabajo se centra en el reciclaje creativo (upcycling), un proceso que transforma los plásticos descartados en productos de mayor valor en lugar de materiales de menor calidad.
En un estudio publicado en la Journal of the American Chemical Society, liderado por Linxao Chen de la Universidad de North Texas y apoyado por Porosoff y el profesor asistente de la Universidad de Rochester, Siddharth Deshpande, los investigadores demostraron cómo el carburo de tungsteno puede impulsar un proceso químico conocido como craqueo catalítico (hydrocracking).
El craqueo catalítico rompe moléculas grandes en moléculas más pequeñas que pueden reutilizarse para fabricar nuevos materiales. En este caso, el equipo se centró en el polipropileno, que se utiliza en botellas de agua y muchos otros productos plásticos.
Si bien el craqueo catalítico es común en la refinación de petróleo y gas, su aplicación a los residuos plásticos ha demostrado ser difícil. Las largas cadenas de polímeros en los plásticos de un solo uso son extremadamente estables, y los contaminantes en las corrientes de residuos pueden desactivar rápidamente los catalizadores tradicionales. Los catalizadores a base de platino también dependen de estructuras microporosas que son demasiado pequeñas para que entren las moléculas plásticas grandes, lo que limita su efectividad.
«El carburo de tungsteno, cuando se fabrica con la fase correcta, tiene propiedades metálicas y ácidas que son buenas para descomponer las cadenas de carbono en estos polímeros», dice Porosoff. «Estas cadenas de polímeros grandes y voluminosas pueden interactuar con el carburo de tungsteno mucho más fácilmente porque no tienen microporos que causen limitaciones con los catalizadores típicos a base de platino».
Los resultados fueron sorprendentes. El carburo de tungsteno no solo era mucho menos costoso que los catalizadores de platino, sino que también era más de 10 veces más eficiente en el craqueo catalítico de residuos plásticos. Los investigadores afirman que este enfoque podría abrir nuevas vías para el reciclaje de plásticos y el avance de una economía circular donde los materiales se reutilizan continuamente.
Midiendo el calor donde importa
Un factor clave detrás de estos avances es la capacidad de medir con precisión la temperatura en las superficies de los catalizadores. Las reacciones químicas absorben calor (endotérmicas) o lo liberan (exotérmicas), y la gestión de la temperatura es fundamental para la eficiencia. Muchos procesos industriales se basan en múltiples reacciones que ocurren simultáneamente, lo que hace que el control preciso de la temperatura sea aún más importante.
Los métodos actuales de medición de la temperatura solo proporcionan promedios aproximados, lo que puede ocultar variaciones críticas en la superficie del catalizador. Esta falta de precisión dificulta la comprensión y reproducción completa del comportamiento catalítico.
Para resolver este problema, el equipo de investigación adoptó técnicas de medición óptica desarrolladas en el laboratorio de Andrea Pickel, profesora visitante del Departamento de Ingeniería Mecánica. En un estudio publicado en EES Catalysis, describieron un nuevo método para medir directamente las temperaturas dentro de los reactores químicos.
«Aprendimos de este estudio que, dependiendo del tipo de química, la temperatura medida con estas lecturas globales puede ser diferente entre 10 y 100 grados Celsius», dice Porosoff. «Esa es una diferencia realmente significativa en los estudios catalíticos donde se intenta garantizar que las mediciones sean reproducibles y que se puedan acoplar múltiples reacciones».
Utilizando esta técnica, el equipo examinó sistemas catalíticos en tándem en los que el calor liberado por una reacción impulsa otra reacción que requiere calor. Una mejor adaptación de estas reacciones puede reducir el desperdicio de energía y mejorar la eficiencia general.
Porosoff afirma que el método podría influir en cómo se lleva a cabo la investigación en catálisis de manera más amplia, fomentando mediciones más precisas, una mayor reproducibilidad y resultados más fiables en todo el campo.
Financiación y apoyo
El estudio de ACS Catalysis fue apoyado por la Sloan Foundation y el Departamento de Energía. La investigación de la Journal of the American Chemical Society recibió financiación de la National Science Foundation. El estudio de EES Catalysis fue financiado por la New York State Energy Research and Development Authority a través de la Carbontech Development Initiative.
