Se identifica un centro activo de la oxidación del metanol

La búsqueda de nuevas formas de energía que sean eficientes y que generen un reducido grado de contaminación marca actualmente un buen número de líneas de investigación en el área de Ciencia de Materiales. El desarrollo de catalizadores es un perfecto ejemplo de ello. Los catalizadores heterogéneos son sustancias sólidas que, sin modificarse sustancialmente ni formar parte del producto final, aceleran una determinada reacción química. En los coches encontramos catalizadores que reducen la emisión de gases nocivos, transformando, por ejemplo, el monóxido de carbono en dióxido de carbono, siendo éstas reacciones que tienen lugar exclusivamente en la superficie del catalizador. Buena parte de los materiales artificiales requieren para su síntesis de la presencia de catalizadores.

Un problema fundamental, muy controvertido y tradicionalmente asociado al desarrollo de nuevos catalizadores tiene que ver con la identificación, modificación y promoción de los centros activos. Se sabe que en la mayor parte de las ocasiones las transformaciones de las especies químicas en la superficie del catalizador no tienen lugar en cualquier sitio de ésta, sino en lugares muy específicos llamados centros activos.

El grupo de Ciencia de Superficies de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha sido capaz de identificar el centro activo de una determinada reacción química: la oxidación de metanol en superficies de rutenio. Esta reacción tiene relación directa con la llamada economía del hidrógeno, en la que se utiliza este elemento para obtener electricidad con las pilas de combustible. Dentro de este esquema, un combustible alternativo al hidrógeno es el metanol, una molécula pequeña pero con un alto contenido relativo de hidrógeno.

El metanol tiene ventajas frente al hidrógeno en cuanto a su almacenamiento y distribución, al ser líquido a temperatura ambiente. Actualmente un buen número de líneas de investigación se centran en el desarrollo de catalizadores, la mayoría de ellos basados en rutenio, que extraigan el hidrógeno del metanol de forma eficiente, para a continuación insertarlo en la pila de combustible y obtener electricidad de forma similar a como se hace cuando se usa hidrógeno como combustible primario.

Los investigadores del Grupo de Ciencia de Superficies han observado que al exponer una superficie de rutenio a metanol, éste se deshidrogena dando lugar a monóxido de carbono e hidrógeno, según se muestra en la siguiente reacción: CH3OHCO+2H2.

“El problema fundamental que plantea esta reacción es que el CO se adhiere fuertemente al substrato, envenenándolo y cesando cualquier actividad química. Por tanto, es necesario oxidar a su vez el CO a CO2 para que éste se desorba y deje libre parte de la superficie, permitiendo a su vez la continuidad de la actividad catalítica”, explica Óscar Rodríguez de la Fuente, profesor del Departamento de Física de Materiales de la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM y coautor del estudio publicado en las revistas Surface Science 606, 1151 (2012) y ChemPhysChem 13, 2354 (2012).

En vista de los resultados los investigadores han estudiado la coadsorción de oxígeno y metanol, reduciendo así el envenenamiento del catalizador. La coadsorción presenta diferencias cualitativas en cuanto a la actividad química pues se detectan nuevas especies químicas intermedias que no se observaban cuando la adsorción era exclusivamente de metanol.

Se identifica además una nueva especie molecular, llamada formiato (HCOO), que es catalizado exclusivamente en presencia de defectos en la superficie del rutenio. Estos defectos, llamados escalones, son imperfecciones de la superficie a nivel atómico, creados de forma intencionada por los autores del trabajo mediante colisiones con iones, pero que se encuentran presentes en cualquier catalizador real. El formiato es, a su vez, el precursor del CO2, siendo su formación por lo tanto un paso previo ineludible para la oxidación completa del metanol y por ende para la extracción eficiente del hidrógeno.

Este trabajo es uno de los pocos ejemplos existentes en la literatura en los que se identifica sin ambigüedad el centro activo de una determinada reacción química. Las consecuencias pueden ser relevantes, ya que además de que la reacción estudiada tiene interés práctico en sí misma, los mecanismos propuestos pueden ser además extensibles a otras reacciones.