Un ejemplo brillante de la naturaleza liderando el camino

Una revisión publicada en Science muestra que los metales abundantes en la Tierra se están explorando como alternativas a los metales preciosos que se utilizan actualmente en los procesos industriales


Cuando se trata de reacciones catalíticas industriales, gobiernan los metales del grupo del platino.


Desde la refinación de petróleo hasta los dispositivos de control de la contaminación de los automóviles y la mayor parte de los productos farmacéuticos, los metales del grupo del platino (PGM) son la opción preferida para catalizar las reacciones químicas. Ha sido así durante décadas. Los metales del grupo del platino cuentan con estabilidad térmica, facilidad de uso en catálisis y tolerancia a venenos químicos. Quizás el caso más destacado sea el uso generalizado del paladio, un metal precioso, en la fabricación de productos farmacéuticos y materiales electrónicos. El Premio Nobel de Química de 2010, de hecho, fue otorgado a los investigadores a los que se les atribuye el desarrollo de un acoplamiento cruzado catalizado por paladio.


Pero hay una alternativa. Y por razones importantes, esa alternativa, los metales abundantes en la Tierra (EAM), tiene la promesa de ofrecer una opción que compite con los PGM.


"Eso es cierto", dijo Morris Bullock, miembro del laboratorio del Pacific Northwest National Laboratory, donde es Director del Centro de Electrocatálisis Molecular, "pero no espere que los metales abundantes en la Tierra lleguen a su ciudad en el corto plazo como la alternativa a todos los metales del grupo del platino".



La industria se apoya en gran medida en los metales del grupo del platino


Los catalizadores de metales abundantes en la Tierra se han utilizado más ampliamente en los últimos años. Pero todavía se han quedado rezagados del grupo del platino, en parte, debido a la falta del conocimiento científico fundamental sobre su potencial, sostiene una revisión de investigación publicada en la revista Science. Bullock fue el autor principal del artículo, resultado de una reunión de expertos del Departamento de Energía de EE. UU. En abril de 2019 para discutir los EAM.


"Examinamos críticamente la literatura que se ha publicado sobre metales abundantes en la Tierra en los últimos años y, esencialmente, emitimos un llamado a la acción para realizar más investigaciones sobre el tema", dijo Bullock.



Más disponibilidad y menor costo


Los metales abundantes en la Tierra tienen varios atributos deseables. Como sugiere el nombre, hay muchos más EAM disponibles. Hay hasta 10,000 veces más EAM que PGM, y eso se traduce en menores costos de extracción y producción.


Si bien el paladio, con sus credenciales del Premio Nobel, es un ejemplo brillante del historial de producción industrial de PGM, tampoco tiene rival en términos de costo. Los mercados de materias primas de este año han fijado el precio del paladio en más de 2.000 dólares la onza. Además de eso, el paladio se extrae en un número extremadamente limitado de lugares a nivel mundial.


Los metales abundantes en la Tierra, que se muestran arriba como su símbolo químico y peso atómico, se están explorando como alternativas a los metales preciosos que se utilizan actualmente en los procesos industriales. Imagen: Nathan Johnson / PNNL

Los metales que abundan en la Tierra no solo son más baratos, también son más limpios


Los metales abundantes en la Tierra, a veces llamados metales básicos, son menos tóxicos que sus primos del grupo del platino. Su abundancia relativa generalmente conduce a una menor huella ambiental asociada con su extracción y purificación en comparación con los PGM. Por ejemplo, la revisión de Science señala que la producción de un kilogramo de rodio del grupo del platino genera el equivalente a más de 35.000 kilogramos de dióxido de carbono. ¿La producción de CO2 de un kilogramo de níquel? Aproximadamente 6.5 kilogramos. Además, el rodio cuesta casi tanto por onza como el caro paladio, mientras que el níquel cuesta menos de 7 dólares por libra .


Por supuesto, el costo de extracción de un metal es solo una parte de la ecuación. Los metales del grupo del platino siguen siendo la opción predominante en muchos procesos catalíticos industriales porque sus propiedades inherentes los convierten en el mejor metal para el trabajo, señala la revisión. Señala el atractivo de los PGM resistentes a la corrosión en las pilas de combustible, así como la idoneidad ideal para altas temperaturas del platino, el rodio y el paladio en los convertidores catalíticos de los automóviles.



La naturaleza puede proporcionar el camino hacia un mayor

uso de EAM


El artículo de revisión, titulado "Uso del plano de la naturaleza para expandir la catálisis con metales abundantes en la Tierra", sugiere que los investigadores buscan pistas fuera del laboratorio para diseñar nuevos catalizadores que utilicen EAM para reacciones químicas.


“Creemos que la naturaleza proporciona una guía invaluable para las áreas fronterizas de exploración en la catálisis EAM”, dijo Yogesh Surendranath del MIT, también autor correspondiente del artículo. “Observamos cuán versátiles son las reacciones que ocurren en la naturaleza, todas con metales abundantes en la Tierra. La naturaleza puede catalizar muchas reacciones asombrosamente complicadas ".


En resumen, los PGM pueden gobernar en la fábrica, pero la naturaleza es el dominio de los EAM. Los organismos biológicos deben acumular metales de su entorno para su propia catálisis, mientras que no se conocen catalizadores biológicos nativos que utilicen un PGM. Muchas de las transformaciones en la naturaleza llevadas a cabo por catalizadores EAM enzimáticos, señala el artículo, se replican en la industria química con catalizadores del grupo del platino.


"Replicar cómo lo hace la naturaleza es el desafío", dijo Bullock. “Parte del problema es que las enzimas en la catálisis de la naturaleza son realmente complicadas y no se traducen fácilmente a un laboratorio, y mucho menos a una fábrica”.



Los metales abundantes en la tierra están arraigados en algunos pisos de fábricas


Mientras tanto, los catalizadores EAM se utilizan en varios procesos industriales importantes. La conversión de nitrógeno en amoníaco, por ejemplo, se basa en un catalizador a base de hierro, aunque el rutenio, una alternativa de PGM, es más eficiente. Otros ejemplos: la hidrogenación de monóxido de carbono a metanol utiliza un catalizador a base de cobre y zinc; los catalizadores a base de níquel y hierro se combinan con agua en electrolizadores comerciales para producir hidrógeno; y los catalizadores de cobalto y manganeso ayudan a producir ácido tereftálico, un componente clave de las fibras de poliéster y las botellas de plástico.


"Todavía queda un largo camino por recorrer", dijo Jingguang Chen de la Universidad de Columbia y el Laboratorio Nacional Brookhaven, y un coautor, "antes de que la ciencia reproduzca reacciones catalíticas con EAM que puedan rivalizar con la confiabilidad que se observa ahora con los PGM, que están firmemente arraigados en la industria usos."


“En los últimos años, sin embargo, ha habido una mejor comprensión de cómo interrogar estas moléculas de metales base para comprender cómo están reaccionando, basándose en la comprensión científica fundamental de esta química, utilizando nuevas técnicas que revelan detalles de cómo ocurren reacciones. Nos estamos acercando ".





Fuente: Traducción del artículo de Allan Brettman para PNNL

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