El cambio climático es una preocupación ambiental mundial. Una importante contribución al cambio climático proviene de la quema excesiva de combustibles fósiles. Producen dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero responsable del calentamiento global. En este sentido, los gobiernos de todo el mundo están elaborando políticas para frenar dichas emisiones de carbono. Sin embargo, limitar las emisiones de carbono puede no ser suficiente. También es necesario gestionar el dióxido de carbono generado.
En este frente, los científicos han sugerido convertir químicamente el CO2 en compuestos de valor agregado, como metanol y ácido fórmico (HCOOH). Producir este último requiere una fuente de ion hidruro (H-), que es equivalente a un protón y dos electrones. Por ejemplo, la pareja reducción-oxidación de nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+/NADH) es un generador de hidruros (H-) y reservorio en sistemas biológicos.
En este contexto, un grupo de investigadores dirigido por el profesor Hitoshi Tamiaki de la Universidad Ritsumeikan de Japón ha desarrollado un nuevo método químico que reduce el CO2 a HCOOH utilizando complejos de rutenio similares a NAD+/NADH. Su trabajo se publicó en la revista ChemSusChem el 13 de enero de 2023.
El Prof. Tamiaki explica la motivación detrás de su investigación. « Recientemente, un complejo de rutenio con un modelo NAD+ — (PF6)2 — se demostró que experimenta una reducción fotoquímica de dos electrones. Produjo el correspondiente complejo de tipo NADH (PF6)2 bajo irradiación de luz visible en presencia de trietanolamina en acetonitrilo (CH3CN) », explica. « Además, el burbujeo de CO2 en el 2+ solución regenerada 2+ y produjo ion formiato (HCOO-). Sin embargo, su rendimiento fue bastante bajo. Por lo tanto, transferir H- a CO2 requería un sistema catalítico mejorado ».
En consecuencia, los investigadores exploraron varios reactivos y condiciones de reacción para facilitar la reducción de CO2. Basándose en esos experimentos, propusieron una reducción de dos electrones fotoinducida del 2+/2+ pareja redox en presencia de 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-dihidro-1H-benzoimidazol (BIH). Además, el agua (H2O), en lugar de trietanolamina, en CH3CN mejoró aún más el rendimiento.
Además, los investigadores exploraron el mecanismo de reacción subyacente utilizando técnicas como la resonancia magnética nuclear, la voltamperometría cíclica y la espectrofotometría UV-Vis. En base a esto, propusieron lo siguiente : Primero, la foto-excitación de 2+ produce 2+* radical, que se somete a reducción por BIH para dar 2+ y BIH-+. A continuación, el H2O protona el complejo de rutenio, generando 2+ y BI-. El producto obtenido se desproporciona para generar 2+ y devuelve 2+. Entonces, el primero es reducido por BI- para producir +. Este complejo es un catalizador activo y transfiere H- a CO2, produciendo HCOO- y ácido fórmico.
Los investigadores demostraron que la reacción propuesta demostró un alto número de rotación (moles de CO2 convertidos por un mol de catalizador) de 63.
« Nuestro método también disminuiría la cantidad total de gas CO2 en la Tierra y ayudaría a mantener el ciclo del carbono. Por lo tanto, podría reducir el calentamiento global en el futuro », agrega el profesor Tamiaki. « Además, la nueva tecnología de transferencia de hidruros orgánicos nos proporcionará compuestos químicos invaluables ».