Diseño de nanoestructuras catalíticas ZnO–ZrO₂: correlación estructura–función mediante técnicas avanzadas para la valorización selectiva de biomasa

La transición hacia procesos sostenibles basados en biomasa requiere el desarrollo de catalizadores capaces de transformar selectivamente azúcares derivados de hemicelulosa en productos de alto valor agregado [1]. En particular, la producción de ácido láctico y glicólico a partir de xilosa representa una alternativa renovable para la industria química, con aplicaciones en bioplásticos, solventes y materiales biodegradables [2]. Sin embargo, esta conversión involucra una red compleja de reacciones paralelas (isomerización, ruptura C–C, deshidratación) que compiten con la formación de subproductos como furfural y huminas, lo que exige un control preciso de las propiedades ácido–base del catalizador [3].

En este trabajo se desarrollaron óxidos mixtos ZnO–ZrO₂ mesoporosos mediante síntesis sol-gel vía EISA, logrando materiales con alta área superficial (>130 m²/g) y elevada dispersión de Zn. La caracterización fisicoquímica (adsorción de N₂, STEM-EDS, SAXS, WAXS y titulación potenciométrica) mostró que composiciones intermedias (~33% mol Zn) optimizan el balance ácido–base (BS/AS ≈ 2) y la generación de sitios bifuncionales. En ensayos catalíticos en fase acuosa (170 °C, 60 min), estos materiales alcanzan conversiones cercanas al 100% y rendimientos de hasta ~50% hacia ácido láctico y glicólico, evidenciando una clara correlación entre estructura y desempeño.

Para profundizar en el origen de esta actividad, se implementa un enfoque de caracterización avanzada basado en técnicas sincrotrón XANES/EXAFS en los bordes K de Zn y Zr, y XRD, incluyendo estudios in situ durante la transición gel–óxido hasta 450 °C. Estas herramientas permiten obtener descriptores locales clave (estado de oxidación, número de coordinación, distancias interatómicas y desorden), imposibles de acceder mediante técnicas convencionales. En particular, la identificación de enlaces Zn–O–Zr y el seguimiento de la evolución estructural permiten distinguir entre incorporación en red y segregación de ZnO, definiendo umbrales críticos (~25–33% mol Zn).

Los resultados muestran que la máxima actividad catalítica se alcanza cuando el Zn permanece altamente disperso y estructuralmente en el límite de segregación, favoreciendo la generación de sitios ácidos débiles y estables. Este trabajo establece criterios racionales de diseño para nanocatalizadores basados en óxidos mixtos, integrando síntesis controlada y caracterización avanzada para optimizar procesos de valorización de biomasa.