En las reacciones de hidrogenación de la industria química, el craqueo del hidrógeno suele requerir altas temperaturas y presiones, lo que consume mucha energía y aumenta los riesgos para la seguridad. Durante mucho tiempo, lograr un craqueo eficiente del hidrógeno en condiciones de temperatura normales ha sido un objetivo importante explorado por los científicos.
Según las últimas noticias de la Academia de Ciencias de China, los científicos chinos han logrado el objetivo de una disociación eficiente del gas hidrógeno a temperatura ambiente como una primicia mundial, lo que reducirá significativamente el consumo de energía en los procesos de hidrogenación tradicionales, disminuirá las emisiones de dióxido de carbono y ayudará a la utilización optimizada de los recursos de carbono en la industria química.
Este nuevo e innovador progreso en el campo de la división fotocatalítica del hidrógeno fue logrado por un equipo dirigido por el investigador Wang Feng del Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China, en colaboración con el profesor Paolo Fornasiero de la Universidad de Trieste (Italia), entre otros. El artículo de investigación relacionado se publicó en línea en la revista académica de renombre internacional "Science" en las primeras horas del 5 de septiembre, hora de Beijing.
El investigador Wang Feng, autor por correspondencia del artículo, presentó que las reacciones de hidrogenación son una de las reacciones importantes en la industria química, e implica al menos un paso de hidrogenación en aproximadamente una cuarta parte de los procesos de reacción química. Uno de los pasos centrales de las reacciones de hidrogenación es la activación del hidrógeno, que incluye mecanismos tanto homolíticos como heterolíticos. Entre ellos, la escisión heterolítica del hidrógeno produce especies de hidrógeno polar, que se caracterizan por una alta reactividad y una hidrogenación selectiva de grupos funcionales polares, aumentando así la tasa de generación de muchos productos químicos importantes y reduciendo las reacciones secundarias.
En este estudio, el equipo de investigación rompió el método de conversión fotocatalítica previamente desarrollado que induce medias-reacciones de electrones y huecos fotoexcitados "independientemente", y propuso utilizar electrones y huecos fotoexcitados para construir centros de carga positiva y negativa espacialmente adyacentes, logrando así la heterólisis del hidrógeno en condiciones ambientales.
El equipo de investigación utilizó dióxido de oro/titanio como catalizador modelo. Al excitar el dióxido de titanio con luz ultravioleta, los electrones generados pueden transferirse a las nanopartículas de oro y quedar atrapados. Mientras tanto, existen estados defectuosos compuestos de oro-oxígeno-titanio en la interfaz entre las nanopartículas de oro y el dióxido de titanio, donde los agujeros fotogenerados pueden quedar atrapados. En este punto, los huecos y los electrones se ubican en la interfaz de oro-oxígeno-titanio y las nanopartículas de oro, respectivamente, formando pares de huecos de electrones- unidos espacialmente adyacentes. Por lo tanto, cuando el mecanismo de pares de electrones-huecos unidos domina la fotodisociación del hidrógeno, la actividad del dióxido de oro/titanio para catalizar la fotodisociación del hidrógeno aumenta linealmente con una intensidad de luz más fuerte.
Posteriormente, el equipo de investigación verificó aún más las ventajas de esta hidrogenación-inducida por luz mediante una reacción de reducción de dióxido de carbono inerte, y descubrió que las especies de hidrógeno generadas pueden convertir completamente el dióxido de carbono inerte a temperatura ambiente, siendo el único producto el etano. Luego, a través de un dispositivo que convierte el etano en etileno, el dióxido de carbono se puede reducir cuantitativamente a etileno y el catalizador puede funcionar de manera estable durante más de 1500 horas sin desactivarse.
El equipo de investigación señaló que el último desarrollo en el método fotocatalítico para la división del hidrógeno se puede extender a fotocatalizadores de óxidos dopados con oro/nitrógeno, óxido de oro/cerio y vanadato de oro/bismuto, y también puede utilizar la luz solar para lograr la hidrogenación de dióxido de carbono en etano, con una selectividad del 90%.
Wang Feng afirmó que mediante el eficiente craqueo no-térmico de hidrógeno a temperatura ambiente, utilizando hidrógeno y dióxido de carbono como materias primas para producir productos de alto-valor-añadido, como etano y etileno, se lograrán reducciones significativas en el consumo de energía y las emisiones, contribuyendo así a la utilización optimizada de los recursos de carbono en la industria química.
Reveló que en el futuro, el equipo de investigación realizará-estudios en profundidad sobre los procesos de reacción, con la esperanza de desarrollar un camino tecnológico industrial que combine la energía luminosa y fototérmica basada en esto, proporcionando un nuevo modelo para la actualización y transformación de las industrias químicas modernas del carbón.
Fuente: Servicio de Noticias de China