Cuando comes, te trasladas en coche, lavas la ropa, y en múltiples actividades de la vida diaria te acompañan transformaciones químicas que, aunque pasan desapercibidas, son fundamentales para tu bienestar, desarrollo y, en ciertos casos, para la supervivencia. Muchos de estos procesos son promovidos por catalizadores, sustancias que aceleran una reacción química sin ser consumidas en el proceso.

Algunos ejemplos son la digestión, durante la cual las enzimas actúan como catalizadores para descomponer los alimentos; o la fabricación de medicamentos, en cuya síntesis se utilizan catalizadores para aumentar la velocidad y selectividad de las reacciones químicas.

En la vida diaria te acompañan transformaciones químicas que son fundamentales para tu bienestar.

¿Dónde más se emplean? En el mofle catalítico de los autos, para transformar gases nocivos en compuestos menos perjudiciales para el ambiente; en la refinación del petróleo para generar combustibles; en la hidrogenación de aceites vegetales para producir grasas sólidas; en la producción de ciertos azúcares; en los detergentes, para descomponer los compuestos que generan la suciedad; al producir energías más limpias y sustentables como el hidrógeno; en las celdas de combustible; en la fabricación de telas sintéticas, plásticos o productos de limpieza; o en la elaboración de insumos para la agricultura, como fertilizantes y plaguicidas.

Imagen de microscopía electrónica de alta resolución de un nanocatalizador.

La catálisis fue utilizada desde la época antigua en la fermentación del pan y la elaboración de vino, en procesos metalúrgicos, en la extracción de compuestos curativos de plantas y minerales, etc. Los métodos experimentales de los alquimistas también fueron importantes para descubrir ciertos catalizadores. El conocimiento empírico de las civilizaciones antiguas dejó huella en la química moderna.

El término catálisis fue acuñado en 1835 por el químico y médico J. J. Berzelius, aunque las bases y comprensión de esta disciplina fueron desarrolladas por otros científicos, siendo el más notorio W. Ostwald, galardonado con el Premio Nobel de Química en 1909 por sus trabajos en el área.

Los catalizadores proporcionan una ruta de reacción más eficiente, reduciendo la energía necesaria para que esa reacción ocurra. Lo logran a través de los sitios activos, que son regiones específicas de un compuesto químico o de la superficie de un sólido, donde interaccionan los reactivos con el catalizador, permitiendo la adsorción de los compuestos que van a reaccionar y facilitando la formación de nuevos enlaces químicos, necesarios para la transformación de las sustancias.

La ventaja de la nanocatálisis es que los materiales a esta escala presentan propiedades únicas.

Esas interacciones promueven la generación de productos, y regeneran sus sitios activos después de la reacción, para así llevar a cabo otros ciclos catalíticos. Un catalizador comercial puede mantener su funcionamiento durante largos periodos de tiempo, como sucede con los mofles catalíticos de los autos y varios procesos industriales.

Reactor fotocatalítico a escala de laboratorio.

En los primeros estudios, el desarrollo de catalizadores a menudo se basaba en el método de prueba y error. Sin embargo, la necesidad de incrementar la eficiencia, el rendimiento, la selectividad y la durabilidad de los procesos llevó a científicos y tecnólogos al entendimiento y diseño racional y sistemático de los catalizadores.

Para diseñarlos es crucial comprender la reacción deseada y su mecanismo; elegir materiales potenciales para su síntesis; utilizar técnicas avanzadas de caracterización de materiales (como las espectroscopias y la microscopía), para conocer su estructura atómica y sus propiedades; utilizar técnicas computacionales de modelado molecular, para simular su comportamiento; modificar su superficie, para mejorar la adsorción de los reactivos y la desorción de los productos; realizar experimentos para evaluar su actividad, selectividad y durabilidad. Todo ello permite ajustar y mejorar el diseño para lograr un rendimiento óptimo.

Existen diferentes tipos de catalizadores. Entre los más versátiles en el ámbito industrial están los heterogéneos, que constan de un sólido en una fase distinta a la de los reactivos (que suelen encontrarse en fase líquida o sólida). Generalmente están compuestos de partículas metálicas dispersadas en un soporte con una alta superficie específica (como óxidos metálicos, fases de carbono, sulfuros).

Cuando sus componentes son extremadamente pequeños, con dimensiones en el rango de los nanómetros, se habla de nanocatalizadores. La ventaja de la nanocatálisis es que los materiales a esta escala presentan propiedades únicas, con mejor rendimiento catalítico en comparación con sus contrapartes a mayor escala.

Sistema de análisis de reactivos y productos a la salida de un reactor químico para evaluación de catalizadores.

Debido a su tamaño diminuto, los nanocatalizadores poseen una alta relación área/volumen, lo que genera más sitios activos superficiales para llevar a cabo la reacción, aumentando su eficiencia y velocidad. Al modificar tamaño, forma y composición de las nanopartículas es posible ajustar sus propiedades electrónicas, químicas y geométricas, optimizándolas para reacciones específicas.

En el diseño de nanocatalizadores también debe considerarse el medio ambiente, por lo que se procura el uso de recursos renovables, minimizar residuos y que las reacciones se lleven a cabo en condiciones suaves (temperatura cercana a la ambiente y presión cercana a la atmosférica).

Una disciplina que impulsa la eficiencia en la transformación de la materia para beneficio de la humanidad.

La nanocatálisis presenta retos, como la estabilidad a largo plazo de los catalizadores y la posible toxicidad asociada con las nanopartículas. Por lo anterior, la investigación en esta área también se centra en abordar estos desafíos y evaluar los riesgos asociados (de salud y ambientales).

La catálisis es una disciplina que impulsa la eficiencia en la transformación de la materia para beneficio de la humanidad. Desde los alquimistas hasta los científicos modernos, la búsqueda por entender y aprovechar esta fuerza transformadora ha permitido elucidar los conocimientos fundamentales sobre la naturaleza de las reacciones químicas, y mejorar la producción industrial, la síntesis de medicamentos y alimentos, la sostenibilidad ambiental, la generación de energías limpias, entre muchas otras. La catálisis es una pieza clave de la química moderna que, sin duda, seguirá transformado nuestro futuro.