Conseguir que una reacción química produzca exactamente lo que se busca y evitar que aparezcan otros compuestos no deseados es uno de los grandes retos de la industria química. Un equipo internacional, en el que participan investigadores de la Universidad de Cádiz (UCA), ha desarrollado un nuevo catalizador que permite avanzar en esa dirección y mejorar notablemente la precisión de determinados procesos industriales. El material ha alcanzado una selectividad cercana al 96% hacia el producto deseado, un resultado que se sitúa entre los más elevados descritos hasta ahora para este tipo de reacciones. La investigación se ha publicado en la revista científica Nature.
El descubrimiento se centra en la hidroformilación, una reacción química utilizada para obtener sustancias que sirven como materias primas en la fabricación de detergentes y otros productos industriales. El problema es que, durante este proceso, pueden generarse distintos compuestos, incluso cuando solo interesa obtener uno de ellos. Esta falta de precisión puede dificultar la producción y reducir el aprovechamiento de las materias primas.
Para solucionar esta limitación, los investigadores han diseñado un catalizador que combina átomos de rodio, un metal con capacidad para facilitar determinadas reacciones químicas, y una estructura porosa conocida como zeolita. El equipo ha conseguido controlar el comportamiento de este material para favorecer la formación del compuesto deseado y limitar la aparición de productos secundarios.
Los resultados obtenidos muestran el potencial de esta estrategia. En uno de los experimentos, el nuevo catalizador consiguió transformar el 99,8% de la materia prima utilizada, con una selectividad cercana al 96% hacia el producto buscado. Es decir, prácticamente toda la materia prima reaccionó y la mayor parte de los productos obtenidos correspondieron al compuesto que se pretendía fabricar.
Un catalizador de rodio que mejora la precisión de la hidroformilación
Los catalizadores son materiales que permiten acelerar o facilitar las reacciones químicas sin consumirse en ellas. Su función resulta esencial en numerosos procesos industriales, ya que ayudan a obtener los productos deseados en condiciones más eficientes.
En este caso, la clave del descubrimiento está en cómo se comporta el rodio cuando se encuentra alojado en el interior de una zeolita. Estas estructuras porosas actúan como una especie de soporte que permite controlar la distribución y el comportamiento de los átomos metálicos responsables de facilitar la reacción.
El equipo científico ha conseguido así desarrollar un sistema capaz de dirigir con mayor precisión la hidroformilación, una reacción de gran interés para la industria química por su utilidad en la obtención de compuestos empleados como materias primas en diferentes productos comerciales.
Además de su elevada eficacia, los experimentos han demostrado que el catalizador puede reutilizarse en varios ciclos de reacción. Esta característica añade interés al descubrimiento, ya que abre la puerta a estudiar su aplicación en procesos industriales que busquen mejorar el aprovechamiento de los materiales y reducir la generación de productos no deseados.
Microscopía electrónica para observar el catalizador a escala atómica
En el avance han participado dos investigadores de la UCA, Miguel López-Haro y José Juan Calvino, pertenecientes al Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica y al Instituto de Investigación en Microscopía Electrónica y Materiales (IMEYMAT).
Su contribución ha permitido conocer mejor cómo funciona el nuevo material. Mediante técnicas avanzadas de microscopía electrónica de alta resolución, ambos investigadores han estudiado su estructura a escala atómica y han podido observar cómo se distribuyen y transforman los átomos de rodio responsables de facilitar la reacción química.
Estos análisis se han realizado con las capacidades instrumentales de la DME-UCA, integrada actualmente en la Infraestructura Científica y Técnica Singular de Microscopía Electrónica de Materiales (ICTS ELECMI). Esta infraestructura cuenta en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cádiz con microscopios electrónicos de última generación que permiten examinar los materiales con un nivel de detalle extraordinario.
El descubrimiento abre nuevas posibilidades para el diseño de catalizadores más precisos y el desarrollo de alternativas a los sistemas empleados actualmente en la industria química. El objetivo es avanzar hacia procesos capaces de obtener los compuestos deseados con mayor eficiencia, reduciendo la formación de sustancias secundarias y aprovechando mejor las materias primas.
