El estudio, publicado en «Science«, ofrece una mejor manera de explotar la energía del metano, lo cual podría reducir las emisiones de este gas de efecto invernadero. El catalizador puede también ofrecer una forma más limpia y barata de generar energía, a partir de la combustión catalítica de las turbinas de gas.
«Es difícil encontrar materiales lo suficientemente activos y estables como para soportar las duras condiciones de la combustión de metano», afirmó Raymond J. Gorte, profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular en Pensilvania. Ahora, el nuevo material desarrollado por el equipo, demuestra ser prometedor para importantes aplicaciones.
Los catalizadores son materiales que aceleran las transformaciones químicas, haciéndolas más eficientes energéticamente, y más seguras. El convertidor catalítico de un automóvil, por ejemplo, transforma los gases de escape en productos inocuos.
Los catalizadores disponibles actualmente para quemar el metano, sin embargo, no lo consumen por completo, y el resto de metano sin quemar escapa a la atmósfera, contribuyendo al cambio climático. Además, estos catalizadores convencionales pueden requerir altas temperaturas, de 600 a 700 grados Celsius, para fomentar ciertas reacciones y, a menudo, pierden su eficacia cuando se exponen a las altas temperaturas generadas por la combustión de metano.
Un daño ambiental adicional se produce cuando se usa el metano para producir energía en una turbina de gas. En este proceso, el metano se quema a temperaturas muy altas, por encima de los 800 grados Celsius. Cuando estas temperaturas superan los 1.300 grados, la reacción puede producir subproductos perjudiciales, incluyendo óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, y monóxido de carbono.
Los catalizadores convencionales para la combustión del metano se componen de nanopartículas metálicas, en particular, del paladio (Pd) depositado sobre óxidos, como el óxido de cerio (CeO 2). Afinando este enfoque, los investigadores utilizaron un método que se basa en el auto-ensamblaje de las nanopartículas: primero construyeron partículas de paladio -de sólo 1,8 nanómetros de diámetro- y luego las rodearon de una capa protectora porosa de óxido de cerio, creando una colección de estructuras esféricas con núcleos metálicos.
Debido a que las partículas pequeñas como éstas tienden a aglomerarse cuando se calientan, reduciendo la actividad del catalizador, los investigadores las dispusieron sobre una superficie hidrófoba, compuesta de óxido de aluminio, para asegurar su distribución uniforme.
La nueva nanoestructura es 30 veces más eficaz que los catalizadores de combustión de metano actuales, y utilizan la misma cantidad de metal. Así, el metano se quema completamente a 400 grados Celsius. «Este catalizador puede contribuir al control de la contaminación por los gases de escape de los automóviles, e incluso mejorar la eficiencia de las turbinas de gas», señaló Cargnello.
Los investigadores planean ahora estudiar más a fondo la estructura del nuevo catalizador, para comprender mejor por qué funciona tan bien; y utilizarán los mismos métodos para crear nuevos materiales. «Podemos usar este método de montaje para probar diferentes tipos de metales y óxidos», afirmó Cargnello, quien añadió «así, podremos crear toda una biblioteca de materiales, algunos de los cuales podrían ser muy buenos a la hora de catalizar otras reacciones, además de la combustión de metano».
Matteo Cargnello, del Departamento de Química en Pensilvania, trabajó junto a Gorte y Kevin Bakhmutsky, del laboratorio de Gorte, en el estudio. Sus colaboradores incluyen a Paolo Fornasiero y Tiziano Montini, de la Universidad italiana de Trieste; y a José J. Calvino, Juan José Delgado y Juan Carlos Hernández Garrido, de la Universidad de Cádiz, en España.
