Catálisis heterogénea

Iniciemos conociendo qué es un catalizador, es una sustancia que transforma reactivos en productos, a través de un ciclo ininterrumpido y repetido de pasos elementales en los que participa el catalizador mientras se regenera a su forma original al final de cada ciclo durante su vida útil.

Un catalizador real (imagen de fondo) y un esquema de un paso catalítico (imagen en primer plano). Las moléculas que reaccionan (a la izquierda) adquieren energía para superar la barrera energética y convertirse en moléculas de producto (a la derecha).

Imagen cortesía del Argonne National Laboratory

Características deseables de un catalizador

La siguiente lista proporciona algunos de los atributos clave de un buen catalizador:

·       El catalizador debe presentar una buena selectividad para la producción de los productos deseados y una producción mínima de subproductos indeseables.

·       El catalizador debe lograr velocidades de reacción adecuadas en las condiciones de reacción deseadas del proceso (recordando que lograr una buena selectividad suele ser más importante que lograr una alta actividad catalítica).

·       El catalizador debe mostrar un rendimiento estable en las condiciones de reacción durante largos periodos de tiempo, o debe ser posible regenerar un buen rendimiento del catalizador mediante un tratamiento adecuado del catalizador desactivado tras periodos cortos.

·       El catalizador debe tener una buena accesibilidad de reactivos y productos a los sitios activos, de forma que puedan alcanzarse tasas elevadas por volumen de reactor.

Vías de reacción para la producción de HCOOH (HCOO-). (a) Inserción de CO2 en un enlace metal-H ; (b) De CO2 a HCOO- a través de un intermediario unido a O ; (c) De CO2 a HCOOH a través de un intermediario unido a C ; y (d) Producción de HCOOH a partir de CO3H* . Códigos de color: negro, C; rojo, O; blanco, H; gris, metales.

Los catalizadores desempeñan un papel crucial en las funciones y procesos corporales que nos mantienen con vida. Sin catalizadores, que aceleran enormemente el ritmo de reacción en los organismos vivos, la vida no se mantendría. Estos catalizadores también se utilizan en química para fabricar productos químicos. Un catalizador es un material que influye en el ritmo o la dirección de un proceso químico. Aumenta el rendimiento del producto, reduce los costes de material y acelera los procesos largos en las industrias químicas. Sin embargo, el consumo de un catalizador en una reacción ocurre muy raramente. De hecho, un catalizador acelera la reacción al ofrecer diferentes rutas hacia los productos. La energía de activación de cada proceso catalítico es menor que la del proceso no catalítico. También puede afectar a la dirección o selectividad de una reacción.

Más del 85% de todos los productos químicos. Además, la catálisis es directamente responsable del 15-20% de la actividad económica en los países desarrollados. Esto significa que la catálisis es económicamente significativa. Además, como hemos mirado antes en el blog, la catálisis es una tecnología verde. Es decir, la catálisis ayuda a reducir los subproductos. Además, el uso de catalizadores a gran escala podría ahorrar al planeta una gran cantidad de energía. En consecuencia, también es un método de conservación de la energía. 

Catálisis heterogénea

En la catálisis heterogénea, el catalizador se encuentra en una fase distinta a la de los reactantes. Al menos uno de los reactivos interactúa con la superficie sólida en un proceso físico denominado adsorción, de tal forma que un enlace químico del reactivo se debilita y luego se rompe. 

Schematic representation of a catalytic reaction on the surface of a catalyst. This image is taken from article 1 and licensed under CC BY 4.0/ Cropped from the original image. Copyright © 2020 by Wang T, Pan L, Zhang X, Zou J-J.

La catálisis heterogénea es de vital importancia para la economía mundial, ya que nos permite convertir materias primas en valiosos productos químicos y combustibles de forma económica, eficiente y respetuosa con el medio ambiente. Por ejemplo, los catalizadores heterogéneos tienen numerosas aplicaciones industriales en los sectores químico, alimentario, farmacéutico, automovilístico y petroquímico, y se calcula que el 90% de todos los procesos químicos utilizan catalizadores heterogéneos. La catálisis heterogénea también está encontrando nuevas aplicaciones en áreas emergentes como las pilas de combustible, la química verde, la nanotecnología y la biorefinación/biotecnología. De hecho, es necesario seguir investigando en catálisis heterogénea para poder abordar los problemas medioambientales y energéticos cada vez más complejos a los que se enfrenta nuestra sociedad industrializada.

Bibliografía:

• https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527610044.hetcat0001
• https://www.cademix.org/applications-of-heterogeneous-catalysis-in-industry/
• https://www.energy.gov/science/doe-explainscatalysts
• https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Inorganic_Chemistry_(LibreTexts)/14%3A_Organometallic_Reactions_and_Catalysis/14.04%3A_Heterogeneous_Catalysts
• https://www.hidenanalytical.com/news-press/new-hiden-catalysis-applications-catalogue/