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2022-05-26Si queremos una química verde, necesitamos una catálisis verde

CSIC |Investigadores del CSIC estudian nuevos materiales y procesos para mejorar las prestaciones de los catalizadores, aceleradores químicos que mejoran la eficiencia en la obtención de múltiples productos, desde plásticos a fármacos, además de energía

Está presente en nuestras actividades del día a día, permite fabricar gran parte de los productos que consumimos y supone más del 20% del PIB mundial. Sin embargo, la catálisis es bastante desconocida por gran parte de la sociedad. Este concepto alude a cualquier proceso que sirva para facilitar o precipitar reacciones. Utilizada intensamente por la industria, gracias a ella podemos obtener más cantidad de producto, en menos tiempo y generando menos residuos. Esto, en un contexto de crisis energética, altos precios de algunas fuentes de energía, posible agotamiento de los combustibles fósiles y lucha contra el cambio climático cobra una relevancia clave.

“Casi todo es catálisis. Cuando queremos producir un compuesto mezclamos varios reactivos en determinadas condiciones y reaccionan; sin catalizador, hay reacciones que no se producirían nunca o serían lentísimas. Así, el catalizador hace que aumente la velocidad de reacción, favorece la selectividad hacia el producto deseado o permite que la reacción ocurra a menores temperaturas”, explica María Jesús Lázaro, delegada institucional del CSIC en Aragón e investigadora del Instituto de Carboquímica (ICB).

Cuando queremos producir un compuesto mezclamos varios reactivos en determinadas condiciones y reaccionan; sin catalizador, hay reacciones que no se producirían nunca o serían lentísimas.

Su colega Antonio Chica, del Instituto de Tecnología Química (ITQ, UPV-CSIC), pone varios ejemplos para demostrar hasta qué punto este proceso forma parte de nuestro día a día: “Muchos de los fármacos que consumimos se producen utilizando catalizadores. También los necesitamos en la gestión del agua, donde se usan para eliminar contaminantes como medicamentos que excretamos en nuestra orina, y que pasan a formar parte de las aguas fecales que se tratan en las depuradoras. La eliminación de estos compuestos resulta muy complicada con los tratamientos tradicionales de una depuradora. Cuando usamos fotocatalizadores -un tipo de catalizador que se activa con la luz- y ozono, estos, al entrar en contacto con fármacos de uso frecuente como el ibuprofeno, permiten descomponerlos y eliminarlos del agua. De esta manera se consigue obtener un agua limpia, lista para verter a ríos o bien reciclar y utilizar a nivel industrial, o incluso usar como agua potable”.

Los catalizadores también son esenciales para mejorar la calidad del aire. “En la industria, cuando se generan compuestos de azufre o de nitrógeno durante la combustión, antes de ser emitidos a la atmósfera se pueden tratar catalíticamente para su eliminación o transformación en otros compuestos inocuos”, afirma. Si hablamos de energía, aparecen de nuevo: “Hay catalizadores que se utilizan para generar biocombustibles a partir de residuos derivados de la biomasa”. La lista continúa: “La producción de perfumes, jabones y conservantes necesarios en algunos alimentos, la denominada química fina, también hace uso de la catálisis. Sin ella es imposible obtener los productos que después compramos en tiendas y supermercados”, remata Chica.

Esta ubicuidad da una idea de la trascendencia de la catálisis. Al introducir en Google las palabras “catalysis research european comissión”, el buscador ofrece 6.660.000 resultados. Concretamente el European Cluster of Catalysis considera que los procesos catalíticos son cruciales para lograr los objetivos marcados para 2050 en eficiencia energética. Como señala José Carlos Conesa Cegarra, investigador ad honorem del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica  (ICP-CSIC) y uno de los autores del libro blanco del CSIC Energía limpia, segura y eficiente, “la catálisis es un factor clave en la industria, que va mucho más allá de los procesos de refino de combustibles: transforma materias primas en productos intermedios y de uso final por los consumidores, y es muy importante para la protección ambiental”. 

¿Cuál es exactamente el papel de esta rama de la química en la búsqueda de una mayor sostenibilidad? La catálisis permite la reducción de residuos y el ahorro energético. “Al aumentar la eficiencia de los procesos de transformación, la demanda de energía puede bajar y además posibilita que otras materias primas que antes no eran usadas ahora lo sean”. Chica se refiere a la reutilización de determinados subproductos, algo que interesa cada vez más a la industria y a los gobiernos, que apuestan por reutilizar materiales en sus estrategias de economía circular. Un círculo perfecto para romper con el modelo clásico de economía lineal basado en fabricar-consumir-tirar.

Ya en 2015 Avelino Corma, también investigador del ITQ y uno de los mayores expertos en catálisis, hablaba de los objetivos de la química sostenible: “Máximo aprovechamiento de la o las materias primas de partida, utilización mínima de cantidad de energía, minimización de los residuos que se generan en las reacciones y procesos y, si los hay, reciclarlos en compuestos útiles o bien descomponerlos en moléculas no contaminantes”. Precisamente todo eso puede lograrse con catalizadores. En realidad, “si queremos una química verde, necesitamos una catálisis verde; solo a través del uso de catalizadores conseguiremos los objetivos mencionados”, concluye Chica.

Para ello se necesita avanzar en varias vertientes, como el propio diseño de los catalizadores y su modo de funcionamiento. “La mayor parte de los productos que he enumerado antes han venido fabricándose en varias etapas, una primera en la que formas una molécula que no es la final y otras sucesivas en las que esa molécula se transforma hasta llegar al producto deseado. Cada etapa genera sus correspondientes residuos y consume energía, por eso la investigación se está centrando en desarrollar catalizadores multicentro que puedan realizar todo en una sola etapa, haciendo así el proceso más sostenible”, argumenta Chica.

Nuevos materiales

Otro aspecto a considerar son los materiales que incorpora el propio catalizador. Ahí se sitúa el trabajo que realiza María Jesús Lázaro. Su equipo participa en el proyecto europeo Bike, financiado con 3,72 millones de euros y que pretende formar a jóvenes científicos en el desarrollo de catalizadores bimetálicos con fines energéticos. Concretamente, en su grupo el fin es la producción de hidrógeno. “Nuestra aplicación utiliza la tecnología de electrólisis de baja temperatura de membrana polimérica aniónica: un catalizador que favorece la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno y prescinde de metales críticos. Queremos evitar el uso de iridio, rutenio y platino, que son materiales escasos y muy caros. En su lugar ponemos metales más baratos y accesibles, como níquel, cobalto o hierro”, explica la investigadora. Para que estas tecnologías sean rentables, “debemos desarrollar un catalizador que sea eficiente, duradero y también económico”, añade.

Queremos evitar el uso de iridio, rutenio y platino, que son materiales escasos y muy caros. 

Además, como señala Chica, los propios catalizadores tienen una vida útil. “Por eso hay una línea de investigación que se centra en diseñarlos para que puedan ser reciclados y reutilizados”. En líneas generales, un catalizador tiene tres características fundamentales; la actividad: debe ser lo más activo posible con el menor gasto energético; la selectividad: debe ser lo más selectivo posible hacia los productos deseados para evitar la generación de residuos; y la durabilidad o estabilidad: debe tener la máxima durabilidad para no tener que reponerlo continuamente. Son tres rasgos que de nuevo se relacionan con lo que busca la química verde.

Ahorro de energía

La reducción de residuos y el ahorro de energía también han sido el objetivo de un proyecto de Chica y Avelino Corma en colaboración con Johnson Matthey, una multinacional inglesa dedicada a fabricar catalizadores. “Conseguimos eliminar prácticamente todo el azufre del gas natural mediante unos catalizadores que, al tiempo que reaccionan con los compuestos de azufre, extraen el átomo de azufre y lo retienen, dejando un gas completamente limpio”, cuenta Chica. Hoy esta empresa tiene más de 20 plantas industriales trabajando en la eliminación de estos contaminantes y produce más de 200 toneladas de catalizador al año.

“Antes se necesitaban dos procesos catalíticos que se realizaban en dos reactores diferentes, uno en el que descomponían las moléculas que contienen azufre, y otro en el que dicho azufre es atrapado. Nuestro catalizador, que está asociado a varias patentes, les permitió hacer lo mismo en un solo reactor”, prosigue. Esto es un ejemplo de catálisis aplicada a la generación de energía, en este caso gas natural, que en su opinión seguirá siendo una de las fuentes de energía más importantes, “a pesar de que vayamos introduciendo el hidrógeno y otros biocombustibles”.

La catálisis está en el corazón de miles de procesos industriales y, en medio de la transición ecológica, su protagonismo crece. Igual que la Unión Europea, el libro blanco del CSIC Energía limpia, segura y eficiente la incluye como uno de los nueve desafíos asociados a la consecución de un modelo energético sostenible. Actualmente esta institución lidera o participa en decenas de proyectos de investigación centrados en optimizar procesos catalíticos para reducir la generación de residuos, facilitar su reconversión en productos de alto valor añadido, ahorrar energía o bien obtener energías limpias como el hidrógeno verde.

“En el CSIC hay muchos institutos que se dedican a la catálisis. El ITQ y el ICP son los más destacados; este último tiene todo un departamento dedicado a la Biocatálisis [catálisis con enzimas], que aglutina al 25% de su plantilla. Pero también trabajan en este ámbito el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea, el Instituto de Investigaciones Químicas, el Instituto de Carboquímica, el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla o el Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono, entre otros”, apunta José Carlos Conesa.

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El investigador José Carlos Conesa, experto en catálisis del ICP. / César Hernández


Dentro del complejo escenario energético global, el hidrógeno verde emerge como posible solución para descarbonizar la economía, esto es, reducir las emisiones de carbono -sobre todo CO2- prescindiendo del uso de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). Para ello, además de aumentar el consumo de las energías renovables tradicionales (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, etc.), el gran reto a largo plazo es poder almacenar la energía producida; una de las vías es la generación de hidrógeno verde a gran escala mediante electrólisis de baja temperatura.

“Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se obtiene a partir de gas natural, pero existen varios inconvenientes. Principalmente, la contaminación que se produce durante el proceso si no se capturan las emisiones de CO2, y el elevado precio del gas. Por otro lado, aunque se está haciendo una gran inversión en energías renovables, su producción es intermitente; si hay excedente de esta energía, se vierte a la red. Si no se produce, hay que consumir electricidad de la red. El hidrógeno se ve como una oportunidad para el almacenamiento energético de las energías renovables porque se puede transportar o ‘guardar’ para luego ser usado en pilas de combustible que, por ejemplo, llevarían los coches de hidrógeno”, explica Lázaro.

Esta investigadora trabaja en el proyecto Storelec, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y que persigue el almacenamiento de energía a partir de hidrógeno a través de pilas regenerativas. “Pretendemos que estas pilas puedan funcionar de dos maneras: cuando se necesite hidrógeno, para producirlo y almacenarlo [en modo electrólisis]; y cuando se necesite electricidad, produciéndola con ese hidrógeno generado. El catalizador es clave porque tiene que funcionar en ambos sentidos”, sostiene. Este tipo de pilas aún no se comercializa, pero si llegaran al mercado abrirían un abanico de posibilidades al suministro energético en lugares especialmente aislados. “Durante el día produciríamos hidrógeno a partir de energía renovable, y por la noche lo podríamos usar para producir electricidad. De este modo lugares remotos, donde incluso no hay conexión eléctrica, podrían ser autosuficientes y producir su propia electricidad. Por ejemplo, campamentos de refugiados u hospitales de campaña”.

El hidrógeno se ve como una oportunidad para el almacenamiento energético de las energías renovables porque se puede transportar o ‘guardar’ para luego ser usado en pilas de combustible que, por ejemplo, llevarían los coches de hidrógeno”, explica Lázaro.

Chica menciona otra investigación reciente relacionada con el hidrógeno y el ahorro energético. Un proyecto Life de la Unión Europea, Ecoelectricity, en el que han desarrollado catalizadores, ya patentados, que permiten generar energía a partir de residuos de alcohol. “Transformamos residuos de muy poco valor, que se producen en destilerías o en la industria vitivinícola, en hidrógeno. Después, este se utiliza en una pila de combustible y se genera electricidad que la empresa puede utilizar; además, esa pila produce calor que es posible revertir al proceso de reformado de los alcoholes, con lo que disminuyen los aportes externos de energía. Por un lado, utilizas un residuo de poco valor. Por otro, generas electricidad de origen renovable; y, en tercer lugar, obtienes un calor dentro del proceso que estás reutilizando para evitar el consumo de otro combustible con el que calentar el sistema de reacción”. Este piloto ya está construido e instalado en Destilerías San Valero en Cariñena (Zaragoza).

Junto a todos estos avances, hay varios retos inmediatos asociados a la catálisis. Por un lado, “hacer catalizadores mucho más activos, con varios centros de diferente naturaleza para que puedan llevar a cabo distintos tipos de reacciones, y que además sean reutilizables”, apunta Chica. Por otro, los catalizadores que sean capaces de utilizar la energía del sol para llevar a cabo su función serían “el no va a más”. Sin embargo, de momento, esto es hablar de futuro. En su opinión, “estamos todavía en pañales, en el inicio del uso de la fotocatálisis, pero podría ayudarnos a mejorar desde el punto de vista energético muchísimos procesos”. Y no es que España vaya a la zaga, “de hecho diría que somos trending topic en investigación en catálisis”, sino que, a nivel internacional, esta tecnología todavía no está madura. Estos desafíos no se enmarcan en energía, medio ambiente o salud; son propios de la catálisis y harían que estas aplicaciones (con independencia de su ámbito de uso) fueran mucho más sostenibles.

Mientras se desarrolla y aplica la investigación, ¿estamos en una situación crítica? Para Lázaro la crisis energética es un tema en el que intervienen variables e intereses que van más allá de la ciencia. “Los combustibles fósiles se están agotando y Europa no tiene suficiente energía para toda la que consume su población. Vivimos en un mundo que demanda este recurso constantemente. En algunos lugares esta insuficiencia ya está ocasionando problemas serios. No sabemos qué va a pasar”. En China, por ejemplo, los apagones de luz han afectado a hogares y empresas en varias provincias. Debido a la falta de electricidad, las compañías se han visto obligadas a dejar de producir a determinadas horas o limitar la producción a algunos días de la semana. En Europa, recientemente se ha abierto un debate sobre la posibilidad de que un gran apagón afecte al continente.

Probablemente no exista una sola solución sino muchas que, quizá, converjan en el binomio que propone Avelino Corma: reducir el consumo de energía y aprovechar los avances tecnológicos que nos brinde la ciencia en los próximos años. 

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