En una planta de biodiésel, prácticamente toda la atención se la lleva el combustible que sale del proceso. Pero junto con él aparece otra corriente mucho menos vistosa. Por cada tonelada producida se generan aproximadamente 100 kilos de glicerol, un líquido espeso, incoloro, de sabor dulce, que luego de ser refinado, está presente en miles de productos, desde cremas hidratantes y pastas de dientes hasta jarabes farmacéuticos y alimentos procesados. Y gracias a la expansión global del biodiésel, el glicerol hoy mueve un mercado valuado en unos 5.800 millones de dólares.
Sin embargo, tal como sale del proceso puede valer apenas US$0,11 por kilogramo, y en muchos casos su acumulación se transforma en un pasivo que la propia industria necesita resolver.
El desafío entonces, está en lograr una refinación eficiente que luego permita a la química conducir reacciones hacia los productos buscados para terminar convertido en sustancias muy diferentes.
Un grupo internacional liderado por investigadores de la University of New South Wales (UNSW), universidad pública australiana con una fuerte actividad en ingeniería, materiales y tecnologías energéticas, se preguntó si es posible utilizar la luz solar para convertir el glicerol de bajo valor en dos cosas de valor al mismo tiempo.
La respuesta, publicada en la revista Applied Catalysis B: Environment and Energy, es que sí. Mediante un proceso conocido como fotorreformado —en el que la energía lumínica activa reacciones químicas sobre un material catalítico—, el equipo logró producir hidrógeno y, simultáneamente, transformar el glicerol en compuestos de alto valor para las industrias química y farmacéutica.
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Fotorreformado de glicerol: dos productos útiles con una sola reacción
El fotorreformado funciona de manera diferente a la electrólisis convencional del agua. En lugar de aplicar electricidad para separar hidrógeno y oxígeno, un material semiconductor absorbe fotones de la luz solar y genera cargas eléctricas —electrones y huecos— que impulsan reacciones químicas en su superficie. Los electrones reducen protones y producen hidrógeno gaseoso; los huecos oxidan moléculas orgánicas, en este caso el glicerol, y las transforman en otros compuestos.
El problema es que el glicerol puede seguir varias rutas de reacción diferentes, y no todas conducen a productos útiles. Algunos caminos generan hidroxiacetona, un compuesto de escaso valor comercial. Otros producen gliceraldehído y dihidroxiacetona, dos sustancias con aplicaciones en síntesis química y formulaciones dermatológicas que se cotizan a unos 75 y 150 dólares por kilogramo respectivamente. Controlar qué ruta prevalece es el desafío central.
“El glicerol puede seguir varias vías de reacción distintas. Si entendemos qué controla esas vías, podemos empezar a diseñar catalizadores que orienten la reacción hacia los productos que queremos”, explicó el Dr. Denny Gunawan, investigador del Grupo de Partículas y Catálisis de la Escuela de Ingeniería Química de la UNSW y uno de los líderes del estudio.
Un catalizador que multiplica por diez la producción de hidrógeno
El equipo desarrolló un fotocatalizador basado en sulfuro de zinc e indio (Zn₃In₂S₆), un semiconductor que absorbe luz visible y genera las cargas necesarias para activar la reacción. Lo novedoso fue modificar ese material con cantidades muy pequeñas de níquel y cobalto, dos metales de transición que actúan como cocatalizadores y alteran profundamente el comportamiento del sistema.
Con la adición del cocatalizador de níquel-cobalto, la tasa de producción de hidrógeno se multiplicó por diez respecto del material sin modificar. El cocatalizador también redirigió la química de la reacción, aumentando sustancialmente la proporción de glicerol que se transformaba por las vías que producen gliceraldehído y dihidroxiacetona en lugar de hidroxiacetona.
En ensayos bajo luz solar simulada, el catalizador demostró la producción simultánea de hidrógeno y productos orgánicos útiles, con tasas competitivas respecto de otros sistemas de fotorreformado de glicerol reportados en la literatura científica.
“En lugar de usar una materia prima cara simplemente para producir hidrógeno, el fotorreformado nos da la oportunidad de hacer dos cosas útiles a la vez: generar hidrógeno y convertir un subproducto de bajo valor en químicos más valiosos”, señaló Gunawan.
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Observar el catalizador mientras trabaja
Entender por qué el níquel y el cobalto cambiaban la reacción exigía algo que rara vez se logra en catálisis: observar el material mientras funcionaba, no antes ni después. Para eso, el equipo recurrió al Sincrotrón Australiano, una instalación operada por la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO) que genera haces de rayos X extremadamente intensos y precisos.
En la línea de espectroscopía de absorción de rayos X (XAS), los investigadores aplicaron dos técnicas complementarias. La primera, XAS in situ, permite analizar el estado químico de los átomos metálicos dentro del catalizador mientras la reacción está en marcha. La segunda, denominada FE-XAS (espectroscopía de absorción de rayos X a energía fija), mide a velocidades mucho mayores que la XAS convencional: en lugar de barrer todo el espectro de absorción, registra los cambios a energías seleccionadas, lo que permite seguir transformaciones que ocurren en fracciones de segundo.
Bernt Johannessen, científico principal de ANSTO, explicó la ventaja de esa resolución temporal: “Pudimos seguir los sitios de níquel y cobalto mientras el catalizador respondía a la iluminación y observar cambios que ocurrían en menos de un segundo. Al encender la luz, los estados químicos de ambos metales cambiaban a medida que se formaba el catalizador activo. Al apagarla, esos cambios se revertían.”
Las mediciones revelaron que el níquel y el cobalto existen inicialmente como iones con carga positiva. Bajo iluminación, se transforman en estados más reducidos —es decir, ganan electrones— que son los que realmente participan en la catálisis. Esa transformación resultó completamente reversible: ciclos repetidos de encendido y apagado mostraron que los sitios metálicos respondían una y otra vez, mientras que mediciones de control en oscuridad confirmaron que los cambios eran provocados por la luz y no por el propio haz de rayos X del sincrotrón.
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Dos técnicas, una imagen completa
Una segunda técnica del Sincrotrón Australiano aportó la otra mitad del rompecabezas. Mediante microespectroscopía infrarroja in situ, realizada en la línea IRM (Infrared Microspectroscopy), los investigadores pudieron seguir las moléculas que se formaban sobre la superficie del catalizador durante la iluminación.
Las dos aproximaciones ofrecieron miradas complementarias sobre la misma reacción. La espectroscopía de rayos X rastreó los cambios en los sitios de níquel y cobalto dentro del catalizador. La microespectroscopía infrarroja identificó los intermediarios químicos a medida que el glicerol se transformaba en diferentes productos. Combinadas con cálculos teóricos y otras mediciones experimentales, esas observaciones permitieron al equipo distinguir qué sitios activos eran responsables de cada vía de reacción.
La conclusión fue que la superficie del sulfuro de zinc e indio por sí sola favorece predominantemente la vía que produce hidroxiacetona. La incorporación de níquel y cobalto no solo potencia la generación de hidrógeno, sino que desvía una proporción mayor del glicerol hacia las rutas que producen gliceraldehído y dihidroxiacetona, los compuestos de mayor valor.
Fotorreformado de glicerol: principios de diseño para una química solar más inteligente
Los hallazgos ofrecen algo más que una mejora incremental en la producción de hidrógeno. Proporcionan criterios de diseño —una comprensión mecanística de cómo los cocatalizadores metálicos controlan la selectividad del fotorreformado— que podrían aplicarse a otros sustratos derivados de biomasa.
“Lo más interesante no es simplemente que podamos producir hidrógeno a partir de glicerol”, resumió Gunawan. “Estamos empezando a entender cómo controlar la química para que la energía solar pueda usarse para generar hidrógeno y, al mismo tiempo, dirigir el carbono restante hacia productos útiles en lugar de residuos.”
El enfoque podría extenderse más allá del glicerol hacia otras materias primas derivadas de biomasa, aportando principios de diseño para procesos impulsados por energía solar que combinen la producción de hidrógeno renovable con la fabricación de químicos de valor.
