Científicos desarrollan un catalizador de hierro de un solo átomo para la degradación simultánea de plástico y la producción de hidrógeno verde

En condiciones de pH neutro, el catalizador demuestra una actividad catalítica y una estabilidad excepcionales, superando los métodos anteriores para el tratamiento de microplásticos. Es aplicable para abordar la contaminación por microplásticos en diversos cuerpos de agua, incluidos ríos, lagos y océanos, y puede procesar eficazmente casi todos los tipos comunes de plásticos.

Microplásticos: una amenaza ambiental omnipresente

Los plásticos son ampliamente utilizados en la vida diaria debido a su excelente durabilidad, bajo costo y multifuncionalidad. Sin embargo, su uso excesivo ha provocado graves problemas ambientales. Desde la década de 1950, se han producido más de 8.3 mil millones de toneladas de plástico en todo el mundo, de las cuales el 80% se convierte en desechos que finalmente ingresan al medio ambiente natural. La gestión inadecuada de los plásticos ha dado lugar a su acumulación en el suelo, los cuerpos de agua y el aire, descomponiéndose en partículas microplásticas y convirtiéndose en una de las amenazas ambientales más persistentes y extendidas que enfrenta la humanidad.

Los microplásticos no solo se originan a partir de la degradación de plásticos desechados, sino que también se liberan continuamente a través de actividades cotidianas, como por ejemplo, de los recipientes de alimentos de espuma de poliestireno expuestos a altas temperaturas o de las tuberías de plástico envejecidas. Estos microplásticos están prácticamente en todas partes. Aunque son invisibles a simple vista, no se puede ignorar su potencial daño a los ecosistemas y a la salud humana.

El proceso de investigación detrás de los catalizadores innovadores

Para combatir eficazmente la contaminación por microplásticos, el equipo de investigación de la Universidad de Adelaida se embarcó en la búsqueda de catalizadores eficientes. Diseñaron y sintetizaron varios catalizadores y finalmente descubrieron que los catalizadores a base de hierro tenían un mejor rendimiento en la degradación de microplásticos. Se emplearon técnicas analíticas avanzadas para verificar la estructura y el rendimiento del catalizador.

Durante las pruebas de rendimiento, los investigadores evaluaron sistemáticamente la eficacia del catalizador para degradar microplásticos y optimizaron las condiciones de reacción para mejorar la eficiencia de la degradación. Los estudios mecanísticos mediante cromatografía de gases y espectrometría de masas revelaron que los plásticos degradados se convertían principalmente en compuestos orgánicos C3-C20, especialmente ácidos orgánicos de cadena corta, que pueden servir como materia prima para la producción fotocatalítica de hidrógeno, logrando así la reutilización de recursos.

Las ventajas únicas de los catalizadores de hierro de un solo átomo

Este catalizador de hierro de un solo átomo presenta una estructura única y una alta actividad catalítica, lo que le permite degradar plásticos difíciles de procesar, como el polietileno de peso molecular ultraalto, en condiciones relativamente suaves. Los resultados experimentales indican que el catalizador conserva una alta actividad después de múltiples ciclos de uso, lo que demuestra una excelente durabilidad y potencial de aplicación industrial.

El equipo de investigación también probó los efectos de degradación en varios plásticos comunes y descubrió que el catalizador exhibía capacidades de degradación superiores en diferentes tipos de plástico. A través de un análisis profundo de los productos intermedios generados durante el proceso de degradación, los investigadores descubrieron que los productos de degradación primarios son ácidos orgánicos de cadena corta, que pueden utilizarse posteriormente, promoviendo los objetivos de reutilización de desechos.

Resultados experimentales y perspectivas de aplicación

El catalizador degrada eficazmente plásticos difíciles de procesar, como el polietileno de peso molecular ultraalto, en condiciones relativamente suaves, manteniendo su actividad y estabilidad incluso después de un uso repetido. Esto sugiere que el catalizador tiene una excelente durabilidad para aplicaciones prácticas y potencial para su implementación a escala industrial.

La investigación indica que el excelente rendimiento del catalizador en distintos tipos de plásticos demuestra su versatilidad y adaptabilidad. Además, el equipo realizó evaluaciones de toxicidad ecológica de los productos intermedios producidos durante la degradación para garantizar el respeto al medio ambiente del proceso.

Perspectivas futuras

Los resultados de la investigación relacionada se han publicado en Nature Communications. En el futuro, el equipo de la Universidad de Adelaida planea optimizar aún más la estructura del catalizador para mejorar la eficiencia de degradación y ampliar los experimentos para verificar su viabilidad en aplicaciones prácticas. Esta innovadora tecnología catalítica proporciona una solución económicamente viable a la contaminación por plástico, al tiempo que impulsa potencialmente la economía del hidrógeno. A través de esta investigación, los científicos han abierto nuevas vías para la producción de energía limpia sostenible.

Sin embargo, abordar la contaminación por microplásticos aún enfrenta muchos desafíos, incluidas consideraciones de costo, eficiencia y estabilidad en aplicaciones del mundo real. También se deben realizar evaluaciones exhaustivas de toxicidad ecológica para garantizar la seguridad ambiental del proceso de degradación. A nivel mundial, abordar la contaminación por microplásticos requiere esfuerzos colaborativos de los gobiernos, las instituciones de investigación y las empresas.

Referencias

1.Wenjie Tian, ​​Pingan Song, Huayang Zhang, Xiaoguang Duan, Yen Wei, Hao Wang y Shaobin Wang, *Materiales microplásticos en el medio ambiente: Problemática y soluciones estratégicas*, Progreso en la ciencia de los materiales, 132, 2023, 101035. [https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101035](https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101035)

2. Jingkai Lin, Kunsheng Hu, Yantao Wang, Wenjie Tian, ​​​​Tony Hall, Xiaoguang Duan, Hongqi Sun, Huayang Zhang, Emiliano Cortés & Shaobin Wang, .*Degradación de microplásticos en tándem y producción de hidrógeno mediante catalizadores de hierro de un solo átomo soportados en nitruro de carbono jerárquico*, Nature Communications 15, 2024, 8769. [https://doi.org/10.1038/s41467-024-53055-1](https://doi.org/10.1038/s41467-024-53055-1)