En una era que exigeix solucions energètiques sostenibles, l’emmagatzematge i la conversió d’energia eficients i respectuosos amb el medi ambient són crucials. L’hidrogen, amb una alta densitat energètica i zero emissions, és prometedor però s’enfronta a reptes d’emmagatzematge, transport i distribució. Els socis del projecte PeCATHS treballen per superar aquests obstacles.

Aquesta investigació, publicada a ACS Sustainable Chemistry & Engineering, presenta un nou enfocament per a l’emmagatzematge d’hidrogen, promovent la química sostenible. Amb el títol “Electrohidrogenació de benzonitril en benzilamina en condicions aquoses suaus”, avança els portadors d’hidrogen orgànics líquids (LOHC), que permeten un emmagatzematge d’hidrogen segur i eficient en un líquid. La innovació dóna suport a processos aquosos més ecològics i suaus, demostrant el compromís dels socis de PeCATHS per abordar els reptes mediambientals i energètics per a un futur sostenible.

L’atractiu de l’hidrogen com a vector d’energia neta és innegable, però la seva naturalesa gasosa presenta reptes logístics. Emmagatzemar-lo com a gas comprimit requereix molta energia, mesures de seguretat i una infraestructura complexa. Els vectors d’hidrogen orgànic líquid (LOHC) ofereixen una alternativa prometedora: compostos orgànics que emmagatzemen i alliberen químicament hidrogen mitjançant reaccions reversibles, proporcionant un emmagatzematge més segur, més dens en energia i transportable utilitzant la infraestructura de combustible líquid existent.

La hidrogenació de molècules orgàniques com els nitrils sol utilitzar mètodes termocatalítics amb altes temperatures, pressions, hidrogen i additius. Tot i que són efectives, aquestes condicions requereixen molta energia, són arriscades i poden crear subproductes no desitjats. La reducció de nitrils és difícil a causa de l’enllaç triple carboni-nitrogen estable, que requereix condicions dures. Aquesta dependència de condicions exigents dificulta la síntesi sostenible.

La recerca dels socis de PeCATHS ofereix una alternativa electroquímica convincent per a la hidrogenació de nitrils. El seu estudi se centra en l’electrohidrogenació del benzonitril (BZN) en benzilamina (BZA), un valuós component bàsic per a diverses indústries químiques. Crucialment, el parell BZN/BZA també serveix com a un prometedor transportador d’hidrogen orgànic líquid (LOHC).

Aquesta innovació utilitza l’electroquímica, que utilitza energia elèctrica per impulsar reaccions en condicions suaus com la temperatura ambient i la pressió atmosfèrica, sovint utilitzant aigua. Aquest mètode és més segur, més eficient energèticament i s’alinea amb els principis de la química verda.

L’èxit dels socis de PeCATHS es veu avalat per una acurada selecció i optimització dels materials dels elèctrodes. Van estudiar elèctrodes de coure pur (CuE) i de coure-plata (CuEAg). Els elèctrodes de CuE es fabriquen electrodipositant una capa de coure sobre una làmina de coure, formant una estructura porosa “semblant a la coliflor” que augmenta la superfície.

Per entendre el mecanisme de reacció i confirmar la font de protons, els investigadors van utilitzar aigua deuterada (D2O). Els experiments de ressonància magnètica nuclear (RMN) van confirmar que l’aigua actua com a font de protons per a la hidrogenació de nitrils. Això destaca un avantatge important respecte a les tècniques convencionals, que requereixen gas hidrogen extern i reactius perillosos, fent que el procés sigui més segur i respectuós amb el medi ambient.

Es va investigar la versatilitat de l’elèctrode de coure-plata per a diversos nitrils aromàtics. Tot i que alguns nitrils substituïts van mostrar rendiments més baixos, l’estudi va demostrar l’àmplia aplicabilitat del seu mètode a una gamma de compostos de nitril, subratllant el seu potencial per a diverses síntesis químiques.

El mètode d’electrohidrogenació desenvolupat pels socis de PeCATHS és un testimoni dels principis de la química verda, oferint una alternativa significativament més respectuosa amb el medi ambient a la catàlisi tèrmica tradicional.

Malgrat reptes com la baixa solubilitat del benzonitril i els elevats sobrepotencials, aquest mètode electroquímic ofereix avantatges. Evita l’hidrogen a alta pressió, millora la seguretat i permet un control precís. Les reaccions localitzades prop d’elèctrodes personalitzats poden augmentar la selectivitat. Els rendiments i els elements finits prometedors en condicions suaus suggereixen que una major optimització pot superar les limitacions de transferència de massa, permetent un ús més ampli.

Aquesta investigació ofereix un mètode més segur i respectuós amb el medi ambient per a la reducció de nitrils i avança en els portadors d’hidrogen orgànic líquid (LOHC). En utilitzar aigua com a font de protons en condicions suaus, l’equip de PeCATHS destaca el potencial de l’electroquímica per transformar els processos industrials. Exemplifica com la investigació interdisciplinària i els materials innovadors poden crear solucions pràctiques, escalables i sostenibles per als reptes energètics i químics.

A mesura que avancem cap a un futur basat en energies renovables, l’emmagatzematge i el transport d’hidrogen eficients i segurs seran vitals. Els avenços dels socis de PeCATHS ens acosten a aquest objectiu, prometent una indústria química més verda i sostenible.

Llegiu l’article publicat a ACS Sustainable Chemistry & Engineering: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5c02168