Vacancias de azufre que confinan sitios Co-Mo en MoS2 para la hidrogenación eficiente de CO2 a formato

Convertir un gas problemático en un ingrediente útil

El dióxido de carbono (CO2) es un importante gas de efecto invernadero, pero también es una materia prima rica en carbono. Si logramos convertir CO2 en productos útiles de forma eficiente y económica, podemos reducir las emisiones y crear nuevo valor. Este estudio presenta un catalizador de bajo costo basado en disulfuro de molibdeno (MoS2) que, al ser modificado sutilmente con átomos de cobalto, transforma CO2 e hidrógeno en formato: un compuesto carbonado sencillo empleado en textiles, curtido de pieles y como posible portador de hidrógeno para energía limpia. El trabajo demuestra cómo pequeños ajustes a escala atómica en la estructura de un material pueden aumentar drásticamente su rendimiento y estabilidad en condiciones realistas.

Por qué el formato y por qué importan los catalizadores de bajo costo

El formato (pariente cercano del ácido fórmico) es un bloque de construcción industrial importante y un líquido prometedor para almacenar hidrógeno. Hoy en día, producir formato a partir de CO2 suele requerir catalizadores que contienen metales preciosos como paladio, oro, iridio o rutenio. Estos metales son escasos y caros, lo que limita su uso a gran escala. Se han explorado alternativas basadas en metales abundantes en la Tierra, pero a menudo carecen de la actividad o selectividad necesarias para aplicaciones prácticas. El MoS2, un material en capas conocido por su uso en electrónica y lubricación, ha surgido recientemente como candidato prometedor porque sitios específicos de “defecto” en su estructura —lugares donde faltan átomos de azufre— pueden acelerar la hidrogenación de CO2. Sin embargo, crear suficientes de estos sitios altamente activos y evitar que se desactiven por el oxígeno del aire ha sido un desafío importante.

Construir mejores sitios activos con átomos de cobalto

Los autores abordaron este reto insertando átomos individuales de cobalto en la red de MoS2, reemplazando algunos átomos de molibdeno para formar lo que denominan Co–MoS2. Mediante microscopía electrónica y una batería de técnicas de rayos X, mostraron que el cobalto no forma agregados en partículas, sino que está disperso como átomos aislados integrados en las capas de MoS2. Estos átomos de cobalto embebidos modifican sutilmente el enlace local en la red. En particular, debilitan los enlaces entre los átomos metálicos cercanos y el azufre u oxígeno adjuntos. Bajo condiciones de reacción ricas en hidrógeno, este enlace más débil facilita la extracción de átomroes de azufre u oxígeno de la superficie, creando o regenerando así las vacancias de azufre que actúan como los verdaderos “puntos calientes” catalíticos. Como resultado, Co–MoS2 expone muchos más sitios activos que el MoS2 prístino, tanto a lo largo de los bordes de las capas como en sus amplias superficies planas.

De ajustes estructurales a mejor rendimiento

Al probarse en un reactor a presión con CO2 e hidrógeno disueltos en una solución de bicarbonato, el catalizador modificado con cobalto produjo formato a una velocidad de 17,0 milimoles por gramo de catalizador por hora, con más del 99% de selectividad hacia el formato a 200 °C. Esta velocidad es casi tres veces mayor que la del MoS2 sin modificar y supera el rendimiento de otros catalizadores sin metales preciosos reportados para la misma reacción. De forma importante, el catalizador mantuvo su actividad durante al menos ocho ciclos de reacción que sumaron 80 horas, y su estructura en láminas y su fase cristalina permanecieron intactas. Medidas de cuánto óxido nítrico podía unirse a las vacancias de azufre revelaron que Co–MoS2 alberga aproximadamente tres a cuatro veces más de estos sitios clave que el MoS2 prístino tras un tratamiento in situ en hidrógeno, vinculando directamente la modificación estructural con el aumento de la actividad.

Cómo funciona el mecanismo a escala atómica

Para comprender la química en mayor detalle, el equipo utilizó simulaciones por teoría del funcional de la densidad. Estos cálculos mostraron que tanto los sitios de vacancia de azufre en los bordes como en el plano tienden a adsorber oxígeno fuertemente, lo que explica por qué la exposición al aire los bloquea rápidamente. Sin embargo, cuando el cobalto sustituye al molibdeno cerca de una vacancia, la interacción entre los átomos metálicos y el oxígeno ligado se debilita, reduciendo la barrera energética para que el hidrógeno elimine ese oxígeno y reabra el sitio. Las simulaciones también trazaron la probable vía de reacción para el CO2: en los sitios de vacancia Co–Mo, el CO2 se adsorbe con fuerza moderada y prefiere ser hidrogenado mediante un intermedio carboxilo (COOH) en lugar de romper completamente el enlace carbono–oxígeno. Esta vía favorece la formación selectiva de formato en vez de otros productos como monóxido de carbono o metano, y funciona de forma similar tanto en los sitios de borde como en los del plano basal.

Qué significa esto para las tecnologías de conversión de CO2

En términos sencillos, este estudio muestra que los “defectos inteligentes” pueden convertir un material común en un catalizador de alto rendimiento para transformar CO2 residual en un químico valioso. Al colocar cuidadosamente átomos de cobalto dentro de la red de MoS2, los investigadores crearon muchos más sitios activos que pueden sobrevivir al contacto con el aire y reactivarse durante la operación. El resultado es un catalizador robusto y no precioso que dirige de forma eficiente CO2 e hidrógeno hacia el formato con alta selectividad. Más allá de este sistema específico, el trabajo ofrece un plano general: confinando distintos átomos extraños en materiales anfitriones para controlar la facilidad con la que átomos clave se añaden o eliminan, los científicos pueden diseñar catalizadores más duraderos y tolerantes al oxígeno para una amplia gama de aplicaciones en energía limpia y química verde.

Cita: Wang, Z., Kang, Y., Chen, G. et al. Sulfur vacancy-confined Co-Mo sites in MoS₂ for high-efficiency CO₂ hydrogenation to formate. Nat Commun 17, 3121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69780-8

Palabras clave: hidrogenación de CO2, producción de formato, catálisis con disulfuro de molibdeno, catálisis de átomo único, utilización de gases de efecto invernadero