Un equipo de científicos chinos e italianos desarrolló un método innovador para la división del hidrógeno a temperatura ambiente, lo que podría mejorar la eficiencia y la calidad en la producción de productos químicos clave. El estudio, publicado el viernes en la revista Science, aborda un desafío de larga data en la química de la disociación heterolítica del hidrógeno.

La hidrogenación, una reacción fundamental en la industria química, implica la disociación del hidrógeno, que puede ocurrir mediante vías homolíticas o heterolíticas. Se estima que el 25% de todos los procesos químicos incluyen al menos un paso de hidrogenación.

La disociación heterolítica es crucial para la producción de productos químicos finos, ya que genera especies reactivas y polares de hidrógeno que reducen selectivamente los grupos funcionales polares. Sin embargo, este proceso suele requerir altas temperaturas y presiones, lo que conlleva un mayor consumo de energía y genera problemas de seguridad.

Para superar estos desafíos, los investigadores desarrollaron una estrategia inducida por luz para lograr la disociación heterolítica del hidrógeno a temperatura ambiente. Utilizando dióxido de titanio soportado con nanopartículas de oro como fotocatalizador, descubrieron que la exposición a la luz ultravioleta provoca la migración de electrones del dióxido de titanio a las nanopartículas de oro.

Al mismo tiempo, se capturan huecos en los defectos interfaciales formados por la conexión oro-oxígeno-titanio, lo que facilita la disociación heterolítica del hidrógeno. La actividad escala casi linealmente con la intensidad de la luz, lo que confirma la naturaleza fotocatalítica del proceso.

Las ventajas de la estrategia se demostraron mediante la reducción del dióxido de carbono inerte con las especies de hidrógeno disociadas. Los científicos descubrieron que estas especies podían reducir casi por completo el dióxido de carbono a temperatura ambiente, produciendo etano como único producto.

Al conectar este proceso con un dispositivo fotocatalítico de deshidrogenación de etano, pudieron convertir el dióxido de carbono en etileno con un rendimiento superior al 99%. Este proceso se mantuvo estable durante más de 1.500 horas bajo luz ultravioleta, lo que indica la estabilidad a largo plazo del catalizador.

Investigaciones posteriores demostraron que la disociación de hidrógeno inducida por la luz es universal y puede extenderse a fotocatalizadores sensibles a la luz visible.

Una demostración que utilizó energía solar para convertir dióxido de carbono logró una selectividad de etano de hasta el 90%.

«Este trabajo ofrece una vía prometedora para producir productos químicos de alto valor como etano y etileno a partir de hidrógeno y dióxido de carbono en condiciones suaves, lo que podría reducir el coste energético y las emisiones de carbono», afirmó Wang Feng, primer autor correspondiente del estudio e investigador del Instituto de Física Química de Dalian de la Academia China de Ciencias.

«En el futuro, esperamos que la estrategia pueda convertirse en una técnica escalable, impulsada por la luz solar o acoplada fototérmicamente, para modernizar las industrias químicas modernas basadas en el carbón», añadió Wang.