En una era que exige soluciones energéticas sostenibles, el almacenamiento y la conversión de energía eficientes y ecológicos son cruciales. El hidrógeno, con alta densidad energética y cero emisiones, es prometedor, pero enfrenta desafíos de almacenamiento, transporte y distribución. Los socios del proyecto PeCATHS trabajan para superar estos obstáculos.

Esta investigación, publicada en ACS Sustainable Chemistry & Engineering, presenta un nuevo enfoque para el almacenamiento de hidrógeno, promoviendo la química sostenible. Titulada «Electrohidrogenación de benzonitrilo en bencilamina en condiciones acuosas suaves», desarrolla portadores orgánicos líquidos de hidrógeno (LOHC), lo que permite un almacenamiento seguro y eficiente de hidrógeno en un líquido. Esta innovación promueve procesos acuosos más ecológicos y suaves, lo que demuestra el compromiso de los socios de PeCATHS para abordar los desafíos ambientales y energéticos para un futuro sostenible.

El atractivo del hidrógeno como portador de energía limpia es innegable, pero su naturaleza gaseosa presenta desafíos logísticos. Su almacenamiento como gas comprimido requiere un alto consumo de energía, medidas de seguridad e infraestructura compleja. Los portadores de hidrógeno orgánico líquido (LOHC) ofrecen una alternativa prometedora: compuestos orgánicos que almacenan y liberan hidrógeno químicamente mediante reacciones reversibles, lo que proporciona un almacenamiento más seguro, con mayor densidad energética y transportable utilizando la infraestructura existente para combustibles líquidos.

La hidrogenación de moléculas orgánicas como los nitrilos suele emplear métodos termocatalíticos con altas temperaturas, presiones, hidrógeno y aditivos. Si bien son eficaces, estas condiciones requieren un alto consumo de energía, son riesgosas y pueden generar subproductos no deseados. La reducción de nitrilos es compleja debido al triple enlace estable carbono-nitrógeno, que requiere condiciones rigurosas. Esta dependencia de condiciones exigentes dificulta la síntesis sostenible.

La investigación de los socios de PeCATHS ofrece una alternativa electroquímica convincente para la hidrogenación de nitrilos. Su estudio se centra en la electrohidrogenación del benzonitrilo (BZN) a bencilamina (BZA), un componente fundamental para diversas industrias químicas. Fundamentalmente, el par BZN/BZA también sirve como un prometedor portador de hidrógeno orgánico líquido (LOHC).

Esta innovación utiliza la electroquímica, que utiliza energía eléctrica para impulsar reacciones en condiciones suaves, como temperatura ambiente y presión atmosférica, a menudo utilizando agua. Este método es más seguro, más eficiente energéticamente y se ajusta a los principios de la química verde.

El éxito de los socios de PeCATHS se basa en la cuidadosa selección y optimización de los materiales de los electrodos. Estudiaron electrodos de cobre puro (CuE) y de cobre-plata (CuEAg). Los electrodos de CuE se fabrican mediante la electrodeposición de una capa de cobre sobre una lámina de cobre, formando una estructura porosa con forma de coliflor que aumenta la superficie.

Para comprender el mecanismo de reacción y confirmar la fuente de protones, los investigadores utilizaron agua deuterada (D₂O). Experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) confirmaron que el agua actúa como fuente de protones para la hidrogenación del nitrilo. Esto supone una importante ventaja sobre las técnicas convencionales, que requieren gas hidrógeno externo y reactivos peligrosos, lo que hace que el proceso sea más seguro y respetuoso con el medio ambiente.

Se investigó la versatilidad del electrodo de cobre-plata para diversos nitrilos aromáticos. Si bien algunos nitrilos sustituidos mostraron rendimientos menores, el estudio demostró la amplia aplicabilidad de su método a diversos compuestos de nitrilo, lo que subraya su potencial para diversas síntesis químicas.

El método de electrohidrogenación desarrollado por los socios de PeCATHS es un testimonio de los principios de la química verde y ofrece una alternativa significativamente más respetuosa con el medio ambiente que la catálisis térmica tradicional.

A pesar de los desafíos como la baja solubilidad del benzonitrilo y los altos sobrepotenciales, este método electroquímico ofrece ventajas. Evita el hidrógeno a alta presión, mejora la seguridad y permite un control preciso. Las reacciones localizadas cerca de electrodos a medida pueden aumentar la selectividad. Los prometedores rendimientos y los elementos finitos (EF) en condiciones suaves sugieren que una mayor optimización puede superar las limitaciones de la transferencia de masa, lo que permite un uso más amplio..

Esta investigación ofrece un método más seguro y ecológico para la reducción de nitrilo y promueve el desarrollo de portadores de hidrógeno orgánico líquido (LOHC). Al utilizar agua como fuente de protones en condiciones suaves, el equipo de PeCATHS destaca el potencial de la electroquímica para transformar los procesos industriales. Ejemplifica cómo la investigación interdisciplinaria y los materiales innovadores pueden generar soluciones prácticas, escalables y sostenibles para los desafíos energéticos y químicos.

A medida que avanzamos hacia un futuro basado en energías renovables, el almacenamiento y el transporte de hidrógeno eficientes y seguros serán vitales. Los avances de los socios de PeCATHS nos acercan a este objetivo, prometiendo una industria química más ecológica y sostenible.

Lea el artículo publicado en ACS Sustainable Chemistry & Engineering: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5c02168