Los óxidos de hierro, eficaces catalizadores para la industria petroquímica y la producción de energía

Mediante la química, la humanidad consigue lo que la naturaleza tarda años en lograr, si lo logra: transformar la materia con mayor rapidez. Este conocimiento es muy útil en procesos industriales. A las fábricas llegan las materias primas y, por medio de diferentes mecanismos en los que interviene la química, se obtienen productos listos para su uso. Uno de los procesos para acelerar estas transformaciones de la materia es la catálisis, con la que se aumenta la velocidad de una reacción química por medio de una substancia llamada catalizador. Investigadores de la Universidad de Córdoba trabajan en la búsqueda y creación de nuevos materiales que sirvan de catalizadores. Recientemente han conseguido caracterizar para su uso en la catálisis diferentes óxidos de hierro, que son más baratos que los materiales empleados actualmente y más sostenibles desde el punto de vista ambiental.

Los catalizadores heterogéneos son elementos fundamentales en la denominada química verde o ambiental. De forma convencional, para transformar la materia se han empleado reactivos, pero éstos se consumen en el proceso y sus restos pueden deteriorar el entorno. A diferencia de los reactivos, los catalizadores no se consumen en el proceso, pudiendo en principio ser reutilizados después de cada reacción. Por esta razón, aproximadamente el 60% de los productos químicos (abonos, fármacos, cosméticos, pero también sistemas de descontaminación o de energías renovables) que se producen actualmente se generan a través de procesos catalíticos. En la actualidad, químicos de diferentes centros de investigación de todo el planeta compiten en una carrera para dar con catalizadores más eficientes y más sostenibles ambientalmente.

“Existe un interés general en el desarrollo de nuevos materiales para procesos de catálisis en campos como la descontaminación y la valorización de la biomasa”, explica Rafael Luque, del Departamento de Química Orgánica de la UCO. En muchos casos, esta búsqueda global ha apuntado hacia nanopartículas de metales como el oro, el paladio o el platino. De hecho, hay en el mercado una serie de materiales catalíticos de óxidos metálicos y, en menor medida, de oro y paladio, menos disponibles y más caros.

Desde el equipo de investigación que dirige Luque se han fijado en compuestos más habituales en la naturaleza: los óxidos de hierro. “Hasta la fecha, no ha habido un gran interés científico por ellos, aunque ya hay grupos de Alemania y Estados Unidos e incluso dentro de nuestra Universidad de Córdoba que los están investigando”. Los científicos del grupo FQM-383 del Departamento de Química Orgánica de la Universidad de Córdoba se han adelantado a sus competidores y en una serie de artículos publicados recientemente han demostrado algunas de las capacidades de los óxidos de hierro como catalizadores o soportes. Son muy versátiles y, algunos de ellos debido a su capacidad magnética, son válidos para separar materiales utilizando un simple imán, sin requerir una fuente de energía externa, lo que los convierte en más eficientes. 

Usos

Los hallazgos tienen gran aplicabilidad para industrias diversas, como la petroquímica en la fabricación de polímeros (plásticos) o en mejora de la calidad de las gasolinas (mediante reacciones de alquilación de aromáticos) y la electroquímica en la producción de pilas de combustible, explica Luque. Algunos de los óxidos de hierro (existen dieciséis tipos) tienen además propiedades fotocatalíticas, por lo que podrían ser usados en la descontaminación de aguas o en la conversión de biomasa para producir biocombustibles.

Para conocer estas propiedades catalíticas de los óxidos de hierro, la Universidad de Córdoba se ha aliado con industrias petroquímicas españolas y chinas y con la Academia China de las Ciencias. Luque es profesor visitante en la subsede que esta institución científica china tiene en Changchun (provincia de Jilin, en el noreste del país).

Metodología

El grupo de investigación ha desarrollado además una metodología alternativa para mejorar, además del material usado los diferentes procesos de transformación, el proceso en sí mismo. La metodología escogida es la mecanoquímica, que ha sido implementada con éxito en molinos de escala industrial ubicados en la superpotencia oriental. “En esta colaboración internacional, la Universidad de Córdoba aporta el conocimiento (know-how), mientras que el Laboratorio Estatal de Química Aplicada de la Academia China de las Ciencias testea nuestras ideas y desarrollan el concepto. De manera general, aquel país dispone de más recursos que nosotros, además de una mano de obra mucho más barata”, indica el profesor de la UCO.

“Por efecto de procesos mecanoquímicos conseguimos que algunos nanomateriales sean más estables durante la catálisis”, explica el especialista. “Estos procedimientos además son muy reproducibles”, señala el autor, “por lo que pueden ser escalados e implementados de una manera rápida y eficiente en procesos industriales”.

Jianming Zhao, Rafael Luque, Wenjing Qi, Jianping Lai, Wenyue Gao, Muhammad Rehan Hasan Shah Gilani y Guobao Xu; ‘Facile surfactant-free synthesis and characterization of Fe₃O₄@3-aminophenol-formaldehyde core-shell magnetic microspheres’. Journal of Materials Chemistry A. 2015, 3, 519-524 DOI: 10.1039/C4TA03821E

Jianping Lai, Wenxin Niu, Rafael Luque, Guobao Xu, ´Solvothermal synthesis of metal nanocrystals and their applications´, Nano Today, 2015, 10, 240-267. DOI: 10.1016/j.nantod.2015.03.001

Chunping Xu, Sudipta De, Alina M. Balu, Manuel Ojeda, Rafael Luque, ´Mechanochemical synthesis of advanced nanomaterials for catalytic applications´.
Chem. Commun., 2015, 51, 6698-6713. DOI: 10.1039/C4CC09876E

Antonio Pineda, Alina M. Balu, Juan M. Campelo, Antonio A. Romero, Daniel Carmona, Francisco Balas, Jesús Santamaría, Rafael Luque, ‘Development of a novel dry milling approach for the synthesis of highly active supported nanoparticles on porous materials’.
ChemSusChem, 2011, 4, 1561-1565. DOI: 10.1002/cssc.201100265