Postdoc at University of Barcelona - Manuel Kolb
ISSN 2660-9134 | Abril 2021 | Volumen 8 | Artículo 3
La liberación descontrolada de gases de efecto invernadero a la atmósfera es la causa principal del calentamiento global que sufrimos desde hace varias décadas. En consecuencia, nuestro planeta sufre graves cambios en los sistemas climatológicos, los niveles de los mares y océanos aumentan y los fenómenos meteorológicos son cada vez más extremos. Este hecho presenta tal importancia que la lucha contra el cambio climático es uno de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU para el 2030. Entre los gases liberados a la atmósfera con efecto invernadero cabe destacar el dióxido de carbono (CO2). Este gas ha aumentado su concentración en la atmósfera un 26% desde 1970, lo que ha provocado un aumento de la temperatura global del planeta en casi 1 ºC. Por ello y centrándonos en el CO2 producido por las actividades humanas (CO2 antropogénico) es necesario buscar alternativas tanto para reducir las emisiones desde sus fuentes como para capturar, almacenar y reutilizar esta sustancia, impidiendo su liberación a la atmósfera.
El Dr. Manuel Jerome Kolb junto a otros investigadores ha publicado recientemente un una prestigiosa revista científica un interesante trabajo donde se plantea reutilizar el CO2 como materia prima para la producción de otros compuestos químicos de alto valor añadido. Específicamente, la investigación analiza de forma teórica o computacional varios posibles catalizadores metálicos mediante el estudio de los intermedios de reacción que se producen durante la electrocatálisis como técnica para la reutilización de CO2. Los resultados obtenidos son una primera criba, proponiendo los mejores catalizadores para su posterior empleo experimental.
El Dr. Manuel Jerome Kolb junto a otros investigadores ha publicado recientemente un una prestigiosa revista científica un interesante trabajo donde se plantea reutilizar el CO2 como materia prima para la producción de otros compuestos químicos de alto valor añadido. Específicamente, la investigación analiza de forma teórica o computacional varios posibles catalizadores metálicos mediante el estudio de los intermedios de reacción que se producen durante la electrocatálisis como técnica para la reutilización de CO2. Los resultados obtenidos son una primera criba, proponiendo los mejores catalizadores para su posterior empleo experimental.
El Dr. Kolb realizó su PhD en Leiden University (Holanda), y posteriormente trabajó como postdoc en el Massachusetts Institute of Technology (EE.UU.) para más tarde unirse al grupo de J. Nørskov y F. Abild-Pedersen en la Stanford University (EE.UU.). Actualmente el Dr. Kolb trabaja como postdoc en la Universitat de Barcelona (IQTC). MyScientific ha conseguido entrevistar al Dr. Kolb, el cual amablemente ha respondido a todas nuestras preguntas permitiéndonos entender la importancia de estos estudios teóricos y computacionales en procesos como la reutilización del CO2 a través de la electrocatálisis.
My Scientific Journal. ¿Podrías explicarnos brevemente cuál es la problemática del dióxido de carbono (CO2) con respecto al cambio climático y cómo la electroquímica, especialmente la reducción electrocatalítica, puede ayudar a resolver esta problemática medioambiental?Manuel Kolb. El CO2, además del metano, es uno de los gases más abundantes liberados a la atmósfera causantes del efecto invernadero y por ello, es una de las principales causas del aumento global de la temperatura en nuestro planeta y del aumento de los efectos climatológicos adversos. El proceso de captura y almacenaje de CO2 o el proceso de captura y posterior reutilización del CO2 transformándolo en productos de alto valor añadido es una de las piedras angulares de todas las estrategias actuales que pretenden combatir el calentamiento global. Este proceso es especialmente interesante cuando se combina con procesos donde se emiten largas cantidades de CO2, como por ejemplo la industria cementera, la cual es responsable de entre el 5 y el 10% de las emisiones globales de CO2. La utilización de la electrocatálisis presenta una peculiar ventaja: se puede utilizar directamente empleando electricidad producida de fuentes renovables en unos equipos denominados electrolizadores. Con estos sistemas, podemos transformar CO2 en importantes productos químicos que se emplean como materias primas en muchos otros importantes procesos como por ejemplo el metano, el etileno, o el etanol. Pero además y de forma simultánea, estos procesos podrían permitir utilizar el exceso intermitente de energía proveniente de fuentes renovables durante periodos de alta producción.
MScJ. El enfoque electroquímico empleando CO2 antropogénico para generar otras sustancias de elevado valor añadido, persigue la creación de un sistema de reciclado de carbono. Dicho enfoque precisa del empleo de catalizadores para que pueda tener lugar (electrocatálisis). ¿Cuál es la importancia y el impacto de estudios teóricos y computacionales en este proceso electrocatalítico?MK. En la actualidad los procesos electrocatalíticos no consiguen producir de forma directa las sustancias químicas deseadas de manera eficiente y selectiva. Muchos de estos catalizadores ya han sido probados y estudiados, incluso empleando combinación de catalizadores (tandem) donde se llevan a cabo procesos en dos etapas.En la última década se han conseguido importante avances, aunque existe todavía una falta de conocimiento sobre lo que ocurre en el proceso electrocatalítico a nivel atómico, o en otros palabras, lo que ocurre en la superficie del catalizador. Esta carencia provoca que los estudios se realicen siguiendo el método científico de prueba y error, sin una base clara, con el consiguiente elevado gasto económico y de tiempo. Los estudios teóricos y computacionales en catálisis asisten a los investigadores experimentales ayudándoles a seleccionar, digamos, 10 posibles catalizadores de entre 10000, evitando probar todos ellos y centrando la investigación en los mejores candidatos, seleccionados gracias a estos estudios teóricos. Idealmente, la interacción y trabajo conjunto de estudios experimentales y análisis computacionales/teóricos deben ayudar a encontrar nuevos catalizadores óptimos basándonos en pautas o directrices racionales.
MScJ. En vuestra publicación, os centráis en el estudio de diferentes intermedios de reacción que pueden formarse durante la electrorreducción de CO2 a metano (gas natural), probando diferentes metales y diferentes posiciones de la superficie de los metales. Una de las principales conclusiones sugiere que las energías de adsorción de cada intermedio de reacción no son independientes. ¿Cómo afecta esto a la reacción electrocatalítica de reducción de CO2?MK. En electrocatálisis nos esforzamos en obtener un catalizador que ofrezca la mayor selectividad (eficiencia), la mayor actividad (eficacia) y la mayor estabilidad (durabilidad). Así pues, uno de los requisitos principales de un electrocatalizador es que utilice completamente la energía proveniente de potencial aplicado. Si no sucede así, un potencial mayor del necesario se está aplicando, provocando pérdidas de energía y rebajando el rendimiento del electrolizador (sistema donde se realiza la reacción).Sin embargo, tal y como nosotros y otros grupos de investigación han observado, las energías de las sustancias intermedias de la reacción química (intermedios de reacción) no son independientes debido a su comportamiento de enlace similar. Por ejemplo, la energía del intermedio de reacción COH esta directamente ligada a las energías de los intermedios C y CH a través de las denominadas “relaciones de escala lineal”. No ser capaces de ajustar de forma independiente las energías de los intermedios de reacción limita gravemente nuestra capacidad para adaptar el catalizador a nuestras necesidades y requiere complicados enfoques de ingeniería de materiales para encontrar catalizadores óptimos.
MScJ. De acuerdo con los resultados obtenidos en vuestro trabajo de investigación, ¿cuál de los metales estudiados y cuál de las disposiciones o posiciones superficiales elegiría como catalizador para su empleo real en la electrorreducción catalítica de CO2? ¿Por qué?MK. El estudio de todos los posibles caminos de reacción en la reacción de reducción de CO2 en la superficie de un único electrocatalizador requiere, desafortunadamente, la simulación de numerosos intermedios y caminos de reacción. Centrarnos exclusivamente en unas pocas etapas que presentan un amplio impacto en la selectividad y reactivada del catalizador es crucial para eliminar ciertos caminos de reacción que no presentan resultado prometedores.En nuestro estudio nos centramos en un camino parcial de reacción, comenzando por el intermedio COH que se genera tras la formacion del CO, y simulamos los posibles intermedios de reacción que se forman manteniendo un átomo de carbono adsorbido en la superficie del catalizador, hasta llegar a la formacion del CH4 en fase gaseosa.
Esto se llevo a cabo de esta manera para poder concentrarnos en el estudio de las preferencias y procesos exactos en cada uno de los catalizadores estudiados en estas etapas cruciales de la reacción. El mejor catalizador para la reducción de CO2 dependerá del producto deseado. En la actualidad, se están investigando catalizadores prometedores para la obtención de etanol, como por ejemplo, catalizadores de cobre derivados de óxidos o incluso catalizadores tandem plata-cobre. Sin embargo, si el producto deseado es metano (gas natural), los catalizadores basados en cobre metálico son la mejor opción.
MScJ. ¿Habéis comparado o tenéis planeado comprobar vuestros resultados teóricos con datos experimentales?MK. En el estudio publicado en Journal of Catalysis hemos presentado solamente la descripción teórica de etapas específicas de la reducción de CO2. Nuestro principal objetivo fue la determinación y análisis de tendencias generales. Sin embargo, la comparación de los resultados computacionales o teóricos con los resultados experimentales es una gran parte de mi investigación previa, debido a que creo firmemente que la conjugación entre simulaciones teóricas y resultados experimentales ayuda a alcanzar un conocimiento mucho más profundo del proceso a nivel atómico respecto a los catalizadores, en comparación con el conocimiento que aporta solo una de las dos clases de estudios.MScJ. Para finalizar y suponiendo que te diriges a un publico general y no experto en la materia, ¿cómo explicarías la importancia de los estudios teóricos en una ciencia experimental como la Química?MK. Los estudios computaciones o teóricos son muy importantes en química y en catálisis. Nosotros (los químicos-teóricos) podemos ayudar a los investigadores experimentales a entender sus resultados y observaciones reales, corroborando o poniendo en duda sus hipótesis, y así conseguir llegar a nuevos descubrimientos. La cooperación y trabajo conjunto entre investigadores experimentales y teóricos consigue un gran ahorro en cuanto a tiempo y dinero. Tal y como ya he comentado previamente, estoy convencido que el trabajo conjunto entre trabajo teórico y experimental es la clave para el avance en la química, la ciencia de los materiales y el desarrollo de catalizadores.REFERENCIAS
Manuel J.Kolb; David Loffreda; Philippe Sautet; Federico Calle-Vallejo. Structure-sensitive scaling relations among carbon-containing species and their possible impact on CO2 electroreduction. Journal of Catalysis 2021, 395, pp.136-142. DOI: 10.1016/j.jcat.2020.12.026
Documentación
Autor: Jose Luis Cerrillo Olmo para My Scientific Journal 08/04/2020
Jose Luis Cerrillo Olmo Editor My Scientific Journal
Postdoctoral Researcher
King Abdullah University of Science and Technology