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Se utiliza el peróxido de hidrógeno tanto para esterilizar aparatos médicos como para efectuar el blanqueamiento dental, de telas y de la pasta de celulosa destinada a la producción de papel, entre otras aplicaciones.
Un estudio publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces, de la American Chemical Society, dio a conocer un nuevo sistema de producción de peróxido de hidrógeno (H2O2) sin emisión de dióxido de carbono (CO2), un importante gas de efecto invernadero.
El peróxido de hidrógeno es uno de los insumos químicos que más se producen en el mundo, y se lo emplea tanto para aclarar telas y la pasta de celulosa destinada la fabricación de papel –aparte del blanqueamiento dental– como en la producción del combustible para el ajuste de la trayectoria de los satélites en el espacio. Y también en el área médica, como desinfectante o agente esterilizante. Se elaboran anualmente alrededor de 2 millones de toneladas de H2O2.
“Para entender el impacto de nuestro trabajo, es necesario considerar en primer lugar esa importancia del H2O2 en la industria química, pero también cómo se lo produce actualmente”, dice el químico Ivo Freitas Teixeira, docente de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el estado de São Paulo, Brasil.
Todo ese peróxido se produce mediante un proceso en el que se emplea la antraquinona [un compuesto derivado de la hidrólisis del antraceno]. En ese proceso, se reduce la antraquinona y luego se la oxida para generar H2O2.
Las desventajas de este método residen no solamente en el costo de la antraquinona, un compuesto químico caro, sino también en la etapa de la reducción, que comprende el empleo de metales nobles como el Pd [paladio], e H2 [hidrógeno] como agente reductor.
La utilización del hidrógeno no es deseable, pues proviene de la reforma del metano, un proceso que se lleva a cabo a altas temperaturas y que libera CO₂ como subproducto, lo cual contribuye para el calentamiento global”, explica el científico, quien realizó su posdoctorado en química inorgánica en la Universidad de São Paulo (USP).
En este trabajo, los autores lograron elaborar peróxido partiendo del oxígeno (O2) y aplicando la fotocatálisis para orientar el proceso. En la fotocatálisis, los catalizadores (materiales empleados para acelerar las reacciones químicas) se activan al aplicárseles luz visible en lugar de altas temperaturas o altas presiones.
Otra gran ventaja de esta tarea reside en la utilización del nitruro de carbono como fotocatalizador, un material constituido únicamente por carbono y nitrógeno, elementos bastante abundantes en la corteza terrestre. Asimismo, los nitruros de carbono pueden activarse en la región visible, que corresponde alrededor del 45 % del espectro solar. De esta forma, es probable que la iluminación artificial pueda reemplazarse por la luz solar, lo que hará que el proceso se vuelva aún más atractivo económicamente.
Tras testear diferentes condiciones de reacción, el grupo de investigación encontró un sistema con una excelente tasa de producción de H2O2. “Efectuamos la reducción del O2 utilizando una ruta fotocatalítica, en la cual la fuente de hidrógeno termina siendo la propia agua del medio de reacción o el reactivo de sacrificio, generalmente glicerol, que es un subproducto de la producción del biodiésel”, detalla Freitas Teixeira, quien entre 2019 y 2021 fue fellow de la Humboldt Foundation en el Instituto Max Planck en Potsdam (Alemania).
En este sistema, el nitruro de carbono se emplea como un semiconductor que, cuando se lo irradia con luz, separa las cargas y de este modo promueve reacciones de reducción y oxidación. En este caso, se reduce el O2 en H2O2 y se oxida el reactivo de sacrificio (el glicerol). Como resultado de ello, se obtiene H2O2 sin necesidad de utilizar H2 y, por ende, sin emisiones de CO2.
“Hasta arribar al trabajo publicado, fue un largo camino de investigación, toda vez que descubrimos que, al tiempo que se producía el H2O2 sobre la superficie del fotocatalizador, el mismo podía tambdegradarse”, dice Freitas Teixeira.
“Tuvimos que efectuar una serie de pruebas y modificaciones en el fotocatalizador para promover la formación del H2O2 y evitar su descomposición.
La comprensión del mecanismo mediante el cual se descompone el H2O2 en la superficie de los nitruros de carbono fue sumamente importante, a los efectos de desarrollar el fotocatalizador ideal para esa reacción.”
Freitas Teixeira se encuentra a la cabeza de un grupo de investigación en la UFSCar que cuenta con el apoyo de la FAPESP. Además de él, firman el paper Andrea Rogolino (Universidad de Padua, Italia); Ingrid Silva, Nadezda Tarakina y Markus Antonietti (Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Alemania), y Marcos da Silva y Guilherme Rocha (UFSCar).
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