Investigadores brasileños han logrado convertir metano en metanol utilizando metales de transición ligeros y dispersos como el cobre en un proceso conocido como fotooxidación.
Según un artículo sobre el estudio publicado en Chemical Communications, la reacción fue la mejor obtenida hasta la fecha para la conversión de gas metano en combustible líquido en condiciones ambientales de temperatura y presión (25 °C y 1 bar respectivamente).
Los resultados del estudio son un paso importante para que el gas natural esté disponible como fuente de energía para la producción de combustibles alternativos a la gasolina y el diésel. Aunque el gas natural se considera un combustible fósil, su conversión en metanol emite menos dióxido de carbono (CO2) que otros combustibles líquidos de la misma categoría.
En Brasil, el metanol juega un papel clave en la producción de biodiesel y en la industria química, que lo utiliza para sintetizar muchos productos.
Además, la captura de metano de la atmósfera es crucial para mitigar los efectos adversos del cambio climático, ya que el gas tiene 25 veces el potencial del CO2, por ejemplo, para contribuir al calentamiento global.
"Hay un gran debate en la comunidad científica sobre el tamaño de las reservas de metano del planeta. Según algunas estimaciones, pueden tener el doble del potencial energético de todos los demás combustibles fósiles combinados. En la transición a las energías renovables, tendremos que aprovechar todo este metano en algún momento", dijo a la Agência FAPESP Marcos da Silva, primer autor del artículo. Silva es doctorando en el Departamento de Física de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).
Según Ivo Freitas Teixeira, docente de la UFSCar, asesor de tesis de Silva y último autor del artículo, el fotocatalizador utilizado en el estudio fue una innovación clave. "Nuestro grupo innovó significativamente al oxidar el metano en una sola etapa", dijo. "En la industria química, esta conversión se produce a través de la producción de hidrógeno y CO2 en al menos dos etapas y en condiciones de temperatura y presión muy altas. Nuestro éxito en la obtención de metanol en condiciones suaves, al mismo tiempo que se gasta menos energía, es un gran paso adelante".
Según Teixeira, los resultados allanan el camino para futuras investigaciones sobre el uso de la energía solar para este proceso de conversión, lo que podría reducir aún más su impacto ambiental.
En el laboratorio, los científicos sintetizaron nitruro de carbono cristalino en forma de poliheptazina imida (PHI), utilizando metales de transición no nobles o abundantes en la tierra, especialmente cobre, para producir fotocatalizadores activos de luz visible.
Luego utilizaron los fotocatalizadores en reacciones de oxidación de metano con peróxido de hidrógeno como iniciador. El catalizador de cobre-PHI generó un gran volumen de productos líquidos oxigenados, especialmente metanol (2.900 micromoles por gramo de material en cuatro horas).
"Descubrimos el mejor catalizador y otras condiciones esenciales para la reacción química, como usar una gran cantidad de agua y solo una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno, que es un agente oxidante", dijo Teixeira. "Los próximos pasos incluyen comprender más sobre los sitios de cobre activos en el material y su papel en la reacción. También planeamos usar oxígeno directamente para producir peróxido de hidrógeno en la propia reacción. Si tiene éxito, esto debería hacer que el proceso sea aún más seguro y económicamente viable."
Otro punto que el grupo seguirá investigando se relaciona con el cobre. "Trabajamos con cobre disperso. Cuando escribimos el artículo, no sabíamos si estábamos tratando con átomos aislados o cúmulos. Ahora sabemos que son cúmulos", explicó.
En el estudio, los científicos utilizaron metano puro, pero en el futuro extraerán el gas de fuentes renovables como la biomasa. Según las Naciones Unidas, el metano ha causado hasta ahora alrededor del 30% del calentamiento global desde la era preindustrial. Las emisiones de metano de la actividad humana podrían reducirse hasta en un 45 % en la próxima década, evitando un aumento de casi 0,3 °C para 2045.
La estrategia de convertir metano en combustible líquido utilizando un fotocatalizador es nueva y no está disponible comercialmente, pero su potencial a corto plazo es significativo. "Comenzamos nuestra investigación hace más de cuatro años. Ahora tenemos resultados mucho mejores que los del profesor Hutchings y su grupo en 2017, lo que motivó nuestra propia investigación", dijo Teixeira, refiriéndose a un estudio publicado en la revista Science por investigadores afiliados a universidades de Estados Unidos y Reino Unido, y dirigido por Graham Hutchings, profesor de la Universidad de Cardiff.