• Home
  • Química
  • Astronomía
  • Energía
  • Naturaleza
  • Biología
  • Física
  • Electrónica
  •  science >> Ciencia >  >> Química
    Las moléculas de agua son oro para la nanocatálisis

    Crédito:CC0 Public Domain

    Los nanocatalizadores hechos de nanopartículas de oro dispersas en óxidos metálicos son muy prometedores para la industria, oxidación selectiva de compuestos, incluidos los alcoholes, en productos químicos valiosos. Muestran una alta actividad catalítica, particularmente en solución acuosa. Un equipo de investigadores de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha podido explicar por qué:las moléculas de agua juegan un papel activo para facilitar la disociación del oxígeno necesaria para la reacción de oxidación. El equipo del profesor Dominik Marx, Cátedra de Química Teórica, informes en la revista de alto impacto Catálisis ACS el 14 de julio de 2020.

    Corriendo por el oro

    La mayoría de los procesos de oxidación industrial implican el uso de agentes, como el cloro o los peróxidos orgánicos, que producen subproductos tóxicos o inútiles. En lugar de, usando oxígeno molecular, O 2 , y dividirlo para obtener los átomos de oxígeno necesarios para producir productos específicos sería una solución más ecológica y atractiva. Un medio prometedor para este enfoque es el óxido de oro / metal (Au / TiO 2 ) sistema, donde el óxido de metal titania (TiO 2 ) admite nanopartículas de oro. Estos nanocatalizadores pueden catalizar la oxidación selectiva de hidrógeno molecular, monóxido de carbono y especialmente alcoholes, entre otros. Un paso crucial detrás de todas las reacciones es la disociación de O 2 , que comprende una barrera de energía normalmente alta. Y una incógnita crucial en el proceso es el papel del agua, ya que las reacciones tienen lugar en soluciones acuosas.

    En un estudio de 2018, el grupo RUB de Dominik Marx, Coordinador de Cátedra de Química Teórica y Área de Investigación en el Clúster de Excelencia Ruhr Explores Solvation (Resolv), Ya se insinuó que las moléculas de agua participan activamente en la reacción oxidativa:permiten un proceso de transferencia de carga escalonado que conduce a la disociación del oxígeno en la fase acuosa. Ahora, el mismo equipo revela que la solvatación facilita la activación del oxígeno molecular (O 2) en el óxido de oro / metal (Au / TiO 2 ) nanocatalizador:de hecho, Las moléculas de agua ayudan a disminuir la barrera energética para el O 2 disociación. Los investigadores cuantificaron que el solvente frena los costos de energía en un 25 por ciento en comparación con la fase gaseosa. "Por primera vez, Ha sido posible obtener conocimientos sobre el impacto cuantitativo del agua en el O crítico 2 reacción de activación para este nanocatalizador, y también entendimos por qué, "dice Dominik Marx.

    Cuidado con las moléculas de agua

    Los investigadores de RUB aplicaron simulaciones por computadora, las llamadas simulaciones de dinámica molecular ab initio, que incluía explícitamente no solo el catalizador sino también hasta 80 moléculas de agua circundantes. Esto fue clave para obtener una visión profunda del escenario de la fase líquida, que contiene agua, en comparación directa con las condiciones de la fase gaseosa, donde el agua está ausente. "El trabajo computacional anterior empleó simplificaciones o aproximaciones significativas que no tenían en cuenta la verdadera complejidad de un solvente tan difícil, agua, "agrega el Dr. Niklas Siemer, quien recientemente obtuvo su doctorado en RUB basado en esta investigación.

    Los científicos simularon las condiciones experimentales con alta temperatura y presión para obtener el perfil de energía libre de O 2 tanto en fase líquida como gaseosa. Finalmente, podrían rastrear la razón mecanicista del efecto de solvatación:las moléculas de agua inducen un aumento de la carga de electrones locales hacia el oxígeno que está anclado en el perímetro del nanocatalizador; esto a su vez conduce a los costos menos energéticos de la disociación. En el final, dicen los investigadores, se trata de las propiedades únicas del agua:"Descubrimos que la polarización del agua y su capacidad para donar enlaces de hidrógeno están detrás de la activación del oxígeno, "dice el Dr. Muñoz-Santiburcio. Según los autores, la nueva estrategia computacional ayudará a comprender y mejorar la catálisis de oxidación directa en agua y alcoholes.


    © Ciencia https://es.scienceaq.com