¿Qué pasa si el dióxido de carbono inerte en la atmósfera se puede convertir en una materia prima utilizable? Las plantas hacen esto durante la fotosíntesis, convirtiendo el dióxido de carbono en oxígeno y azúcar cuando se exponen a la luz.

Inspirados por este proceso, los físico-químicos de la Universidad de Bonn en Alemania han desarrollado una nueva forma generar una variante reactiva de dióxido de carbono que podría usarse potencialmente como material básico en la industria química.

El estudio se publica en la revista Angewandte Chemie.

El problema

El dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, es el contaminante número uno que conduce al cambio climático, y representa más del 80 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU. en 2015. El dióxido de carbono se emite durante una variedad de actividades humanas diarias, incluido el transporte, la generación de electricidad y la quema de combustibles fósiles para fines industriales.

Como resultado, uno de los principales objetivos del movimiento ecologista ha sido encontrar formas de limitar las emisiones de dióxido de carbono como un medio para controlar el cambio climático.

La reapropiación del dióxido de carbono atmosférico para uso industrial abordaría dos objetivos a la vez.

"Si tiene éxito, el impacto de tal enfoque es inmediatamente evidente: se puede aprovechar el desconcertante gas de efecto invernadero y, al mismo tiempo, reducir la dependencia global del petróleo crudo como materia prima química", dijo Peter Vöhringer, profesor del Instituto de Química Física y Teórica de la Universidad de Bonn y autor correspondiente del estudio.

En la búsqueda de esta visión, los científicos han estado explorando varios complejos de metales de transición a los cuales se puede unir el dióxido de carbono. Sin embargo, el dióxido de carbono es notoriamente difícil de unir a otras moléculas.

Antes de la investigación de Vöhringer y su equipo, solo había tres modos conocidos de unión del carbono a un metal de transición.

El Estudio

Pero ahora los investigadores de Bonn han revelado un cuarto modo usando un complejo de hierro como metal de transición. En el complejo de hierro, los constituyentes del dióxido de carbono se unen varias veces alrededor de un átomo de hierro con carga positiva.

Luego, los investigadores dispararon pulsos láser ultrarrápidos de luz ultravioleta en el complejo de hierro. Este proceso rompió ciertos enlaces, permitiendo que el dióxido de carbono se una al hierro a través de uno de sus dos átomos de oxígeno terminales.

El complejo de hierro se transforma en una nueva molécula que transporta dióxido de carbono en su forma químicamente reducida.

"Esto significa que el dióxido de carbono ya no es la molécula C02 electro-neutral con la que todos están familiarizados (a través del conocido gas de efecto invernadero), sino que existe en una forma cargada negativamente que presenta un electrón no pareado", dijo Vöhringer. .

Esta molécula recién formada se conoce como anión radical de dióxido de carbono. Con solo un electrón en su capa externa, este anión radical es una molécula altamente reactiva. Este electrón no apareado le da al anión radical el potencial para ser utilizado como un bloque de construcción para varios procesos químicos.

Esta nueva molécula es "una estructura altamente intrigante, que promete reactividades químicas que aún no se han explorado", dijo Vöhringer.

Los investigadores esperan que la variante de dióxido de carbono reactiva pueda servir como un bloque de construcción para una gama de productos químicos, que incluyen metanol como combustible, urea para síntesis químicas y ácido salicílico para analgésicos.

Los científicos realizaron esta investigación utilizando un espectrómetro infrarrojo. En la resolución temporal de millonésimas de mil millonésima de segundo, el espectrómetro captura "instantáneas" de los espectros vibracionales de las moléculas. Estas instantáneas crean una "imagen de movimiento molecular", que demuestra visualmente el proceso de los pulsos del láser ultracorta que rompen los enlaces en el complejo de hierro, permitiendo que se forme el radical de dióxido de carbono.

"La formación del radical dióxido de carbono dentro del complejo de hierro cambia los enlaces entre los átomos, lo que reduce la frecuencia de la vibración característica del dióxido de carbono", dijo Steffen Straub, estudiante graduado de la Universidad de Bonn y autor principal, en un comunicado.

Al medir el cambio en la frecuencia de las vibraciones del dióxido de carbono, los científicos pudieron analizar la formación del radical dióxido de carbono.

Los investigadores luego probaron los resultados de su experimento contra una simulación por computadora de los espectros vibracionales de las moléculas. Al comparar sus mediciones originales con los cálculos de la computadora, pudieron determinar definitivamente que los pulsos del láser realmente producen el radical de dióxido de carbono.

¿Qué es lo siguiente?

Los investigadores creen que sus hallazgos podrían revitalizar la investigación sobre la activación de dióxido de carbono por complejos de metales de transición.

"Nuestros hallazgos tienen el potencial de cambiar fundamentalmente las ideas sobre cómo extraer el dióxido de carbono de los gases de efecto invernadero de la atmósfera y usarlo para producir productos químicos importantes", dijo Vöhringer en un comunicado.

En el futuro, tienen la intención de seguir investigando las reactividades químicas del nuevo modo de enlace para comprender cómo se puede aplicar al uso industrial.

Todavía hay obstáculos para navegar antes de que su descubrimiento pueda aplicarse en el mundo real. El uso de pulsos de láser es demasiado ineficiente para el uso industrial, por lo que para que el proceso de conversión se adopte para esos fines, un catalizador tendría que desarrollarse para realizar el papel de los pulsos de láser.

Sin embargo, "nuestros resultados proporcionan pistas sobre cómo un catalizador de este tipo debería diseñarse", dijo Vöhringer en un comunicado.