"Viaje a un futuro que ya vivimos": activación de moléculas pequeñas

"Viaje a un futuro que ya vivimos": activación de moléculas pequeñas.

Por Brayan Solano Cedeño*

El grandioso inventor y científico Nikola Tesla dijo una vez: “a lo largo del espacio hay energía, y es una mera cuestión de tiempo hasta que los hombres tengan éxito en sus mecanismos vinculados al aprovechamiento de esa energía”. 

Es necesaria e incesante en la ciencia (especialmente en la química), la búsqueda de fuentes energéticas alternativas, y en este sentido, la activación de una molécula pequeña como el agua permitiría el acceso a lo que hoy se denomina el combustible del futuro: el hidrógeno. 

La Organización de las Naciones Unidas (ONU) estima para el 2050 una población cercana a los 10 mil millones de personas. Para el 2010 el consumo energético mundial alcanzó una potencia total de 104,426 TWh (lo cual es aproximadamente unas 317 mil millones de veces lo que se consume mensualmente en una casa promedio en Costa Rica).

El consumo de los combustibles fósiles ha acarreado consecuencias ambientales de gran impacto, siendo las principales las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero que conllevan al calentamiento global y la acidificación de los grandes cuerpos acuosos (mares y océanos). Esto convierte en una prioridad a corto, mediano y largo plazo la implementación de nuevas tecnologías para satisfacer la demanda energética, también creciente. 

Esto es posible con el uso de la química y del ingenio, por supuesto, utilizando como piedra angular la estrategia de la activación de enlaces químicos en moléculas pequeñas, como el agua. Pero ¿qué es una molécula pequeña y qué es el proceso de activación?

Se conoce como una molécula pequeña a aquella que posee un bajo peso molecular (poca masa por cantidad de sustancia) y, generalmente, un solo tipo de enlace (oxígeno-hidrógeno, carbono-oxígeno, nitrógeno-hidrógeno, etc.). Son ejemplos típicos el amoníaco (NH3), el agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el monóxido de carbono (CO) y el disulfuro de carbono (CS2), todos con una importancia trascendental en las industrias de polímeros (plásticos y derivados) y energía. 

La activación por su parte, consiste en un proceso químico que implica la ruptura parcial o total del enlace entre dos átomos en dicha molécula, por ejemplo el enlace C=O en el CO2 o el enlace O-H en el agua, mediante el diseño de un compuesto o material químico capaz de alcanzar, promover o facilitar dicha escisión. 

La generación de hidrógeno a partir del agua se ha dado tradicionalmente mediante un proceso electrolítico (utilizando una fuente de corriente), que genera hidrógeno y oxígeno gaseosos. La generación desde una matriz o un compuesto químico catalítico que permita facilitar ese mismo proceso mediante la acción de la luz solar, es en este momento un punto fuerte de investigación en el campo de la química inorgánica de coordinación, la química de materiales y la química organometálica. 

Los estudios en química sobre el tema se han basado en los últimos 35 años principalmente en la utilización de compuestos con metales como rutenio, platino, cobalto e iridio, conocidos como complejos y que poseen ciertas propiedades químicas deseadas ante la presencia o ausencia de luz, actuando como un “puente” o medio para la generación del hidrógeno en un medio acuoso o no-acuoso. Estos “complejos” se componen de dos partes: la primera, un centro metálico (átomo o ión de un elemento metálico); y la otra, los ligandos, que son en este caso compuestos orgánicos (con muchos átomos, incluyendo carbono), que brindan ciertas propiedades adicionales a las que tendría el centro metálico por sí sólo, formando así un nuevo compuesto totalmente diferente. Dentro de esta misma familia de complejos también se ha estudiado los que poseen centros metálicos de hierro y níquel, y que vienen a mimetizar estructuras de enzimas ya descubiertas en organismos como plantas, algas y bacterias (conocidas como hidrogenasas).

Los esfuerzos también se han dirigido a la síntesis de materiales de titanio, aluminio o metales de transición en compañía de ligandos (conocidos como redes metalorgánicas), que pueden generar la activación del enlace O-H en el agua en presencia o ausencia de luz solar. 

En la Universidad de Costa Rica, dichos procesos de activación han sido estudiados en el Laboratorio de Investigaciones en Química Inorgánica, a cargo de la Dra. Grettel Valle Bourrouet, y se han centrado en la utilización de materiales formados a partir de desechos de la industria del aluminio y nanopartículas de metales como níquel y cobalto como catalizadores, para la generación de hidrógeno desde moléculas como el etanol o la glicerina mediante un proceso conocido como reformado. Recientemente, la Dra. Valle ha iniciado una investigación sobre nuevos catalizadores metálicos para la activación del agua mediante procesos fotocatalíticos. En el Centro de Investigación en Electroquímica y Energía Química de la UCR (CELEQ) la Dra. Mavis Montero, el Dr. Leslie Pineda y el Dr. Esteban Durán han estudiado precisamente el uso de materiales de dióxido de titanio modificados para la activación del enlace O-H de la molécula de agua en presencia de luz.

En la actualidad la investigación química no se centra solamente en la activación del agua para generar el hidrógeno, sino en procesos tan importantes como la activación-fijación del CO2 atmosférico para utilizarlo como fuente de carbono (conocidos como C1) en la generación de combustibles livianos como metanol. Además, se estudia la activación del enlace nitrógeno-oxígeno en los óxidos de nitrógeno generados en los escapes de los automóviles, el enlace carbono-hidrógeno en el metano para la producción de combustibles líquidos y de materias primas como metanol y ácido acético.

Visto todo esto, imagine Usted ese futuro así como lo observó Tesla, en el que un automóvil, una casa, o una ciudad completa fuesen alimentadas con fuentes energéticas como el hidrógeno. Sin carbono, sin emisiones de CO2. Y ahora aprecie que ya a su alrededor ese futuro se manifiesta, mediante el trabajo de científicos en todo el mundo investigando sobre la activación de moléculas pequeñas como el agua.

Figura 1. Diagrama sencillo de la reacción de activación del agua mediante complejos metálicos.

*El autor es estudiante de química en la Universidad de Costa Rica.