Desde el desarrollo de catalizadores de zeolita hasta lograr la neutralidad de carbono

Trabajo en el desarrollo de catalizadores de zeolita para la reacción de metanol a olefinas (MTO). Se utilizan en procesos que producen olefinas ligeras, como etileno (C2) y propileno (C3). Estas olefinas ligeras son los componentes fundamentales de los productos químicos, y nuestro objetivo es usar zeolitas para catalizar la reacción MTO y producir estas materias primas a partir de metanol, que en sí mismo se sintetiza a partir del dióxido de carbono y el hidrógeno con agua como materia prima.

Los zeolitas son materiales porosos y cristalinos creados a partir de disposiciones altamente ordenadas de átomos principalmente de silicio (Si), aluminio (Al) y oxígeno (O). Una calidad única de las zeolitas es que su estructura cristalina tiene espacios de microdimensiones que permiten el paso de moléculas. Actualmente, las zeolitas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como la conversión de productos petroquímicos, la purificación de gases de escape de automóviles y la eliminación de materiales radiactivos relacionados con el accidente nuclear de Fukushima. También se utilizan en materiales de construcción y electrodomésticos por sus propiedades de adsorción.

Un proyecto en el que estoy trabajando actualmente es desarrollar tecnología para crear las materias primas para plásticos a partir de CO₂. Esta investigación utiliza catalizadores de zeolita para producir las materias primas para plástico y otros componentes básicos de la producción química a partir del metanol, que en sí se ha generado a partir del dióxido de carbono y el hidrógeno solar, que es el hidrógeno producido a partir de la luz solar y el agua. Esta investigación conducirá al desarrollo de procesos innovadores de producción química que no dependan de los recursos fósiles.

Mi investigación se centra en la síntesis y la aplicación práctica de zeolitas y otros nanomateriales cruciales para permitir estos procesos catalíticos. Las zeolitas ofrecen una solución real a una serie de problemas ambientales, energéticos y basados en recursos que actualmente nos afectan a escala global y son esenciales para lograr los Objetivos de Desarrollo Sostenible (SDG).

La síntesis y las propiedades de la zeolita permiten una amplia gama de estructuras de marco. Los cálculos muestran que son posibles más de 2.6 millones de estructuras de zeolita, aunque solo alrededor de 260 de estas se han sintetizado en experimentos hasta la fecha, y de estas, solo alrededor de 10 se utilizan en la industria. Si bien las zeolitas tienen el potencial de convertirse en un material clave para lograr una sociedad sin emisiones de carbono, aún se desconoce mucho sobre el mecanismo de cristalización de la zeolita, y la disposición atómica de las zeolitas aún no está clara. El desarrollo innovador de zeolitas, la determinación de cómo cambian las estructuras de zeolitas durante la cristalización y la comprensión de las estructuras de zeolitas a nivel atómico son aspectos importantes de la investigación dirigida a mejorar la funcionalidad y ampliar la gama de aplicaciones de estos materiales. Al cristalizar las zeolitas, es importante determinar la presencia y el contenido de aluminio y otros elementos metálicos. Para lograr esto, usamos espectrómetros de emisión de plasma acoplado inductivamente (ICP) y espectrofotómetros de absorción atómica (AA) Shimadzu. Esencialmente, mi investigación implica la creación de zeolitas que servirán como “catalizadores ideales” con una estructura espacial, composición elemental y estructura local adaptada a aplicaciones específicas.

También estoy desarrollando catalizadores de zeolita para que la tecnología produzca combustibles biológicos a partir de recursos de biomasa subutilizados. Estos incluyen los racimos de fruta vacíos (EFB) que quedan después de la extracción del aceite de palma y se producen en cantidades masivas en el sureste de Asia, la pajilla y la cáscara que quedan después de la producción de arroz y la biomasa creada durante la producción de la caña de azúcar. Utilizamos sistemas de cromatografía de gases (GC) Shimadzu, espectrómetro de masas con cromatografía de gases (GC-MS) y cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para realizar análisis cualitativos y cuantitativos de reacciones catalíticas que involucran a catalizadores de zeolita.

Desde 2024, con el apoyo de SATREPS (Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development, Asociación de Investigación en Ciencias y Tecnología para el Desarrollo Sostenible), me he embarcado en investigaciones internacionalmente asociadas entre Japón y los países en desarrollo que aplicarán tecnología de catalizadores de zeolita para abordar problemas globales y mejorar los estándares científicos y tecnológicos. Como parte de esta investigación, estamos desarrollando un proceso basado en un catalizador que puede usarse para producir productos químicos en una biorrefinería con el objetivo de agregar valor a la biomasa de desecho generada en el sector agrícola de Tailandia.

También planeo trabajar con iPEACE223 Inc., una empresa emergente del Instituto de Ciencias de Tokio. La empresa tiene como objetivo ayudar a lograr la neutralidad del carbono en los sectores energético y químico al cambiar las materias primas de fuentes basadas en fósiles a fuentes basadas en biomasa. En este proyecto, estamos trabajando para desarrollar una reacción de etileno a propileno (ETP) que utilizará un catalizador de zeolita para producir propileno directamente a partir de etileno. También estamos trabajando para mejorar aún más los catalizadores de zeolita.

Después de usar los sistemas Shimadzu GC e ICP durante muchos años, creo que los sistemas son fáciles de usar, y que el software y otros aspectos de los sistemas son fáciles de entender para los investigadores. También me gusta lo especializados que son los sistemas en términos de su compatibilidad con la personalización para aplicaciones específicas, como la cromatografía de gases automatizada. Sin embargo, a medida que la cantidad de estudiantes extranjeros aumenta, sería útil si hubiera software, manuales de instrucciones y asistencia de mantenimiento disponibles en inglés y chino.

Determinamos la posición de los átomos en los catalizadores de zeolita mediante microscopía electrónica. Sin embargo, las estructuras cristalinas de los catalizadores de zeolita se dañan fácilmente por los haces de electrones utilizados en los microscopios de electrones, y esto puede impedirnos comprender con precisión las estructuras de la zeolita. Mi esperanza es que Shimadzu pueda desarrollar una nueva técnica analítica que proporcione información sobre la estructura de la zeolita y el mecanismo de cristalización a nivel atómico de manera no destructiva.

El laboratorio del profesor Yokoi utiliza varios productos Shimadzu, incluidos el GC-2014 y el ICPE-9000. Estamos agradecidos por las valiosas perspectivas que nos brindaron en esta entrevista.