Para convertir hidrocarburos en combustible, la industria petroquímica actualmente se basa principalmente en catalizadores heterogéneos, que en la mayoría de los casos contienen sitios metálicos activos con estructuras poco definidas. En años recientes, sin embargo, un área de estudio conocida como química organometálica de superficie (SOMC) ha permitido el diseño y desarrollo de mucho más definido, los denominados catalizadores de un solo sitio, en el que los sitios de metal se pueden adaptar para cumplir con requisitos específicos.

Christophe Copéret, profesor en ETH Zürich, ha estado investigando el potencial de SOMC para sintetizar combustibles y portadores de energía de formas que hasta ahora no se habían logrado utilizando técnicas tradicionales. En un artículo reciente publicado en Energía de la naturaleza , escribe que SOMC puede abrir nuevas rutas para la conversión de hidrocarburos, así como cómo puede contribuir al descubrimiento de importantes procesos de homologación de alcanos y al conocimiento de catalizadores heterogéneos.

"Me interesa comprender sistemas complejos como catalizadores heterogéneos a nivel molecular, "Copéret le dijo a TechXplore". Hacia ese objetivo, nuestro laboratorio ha desarrollado experiencia para generar especies de superficies bien definidas donde los sitios de metal se anclan a las superficies como un primer paso a través del injerto ".

Para crear catalizadores con estructuras superficiales bien definidas, los investigadores deben controlar la densidad y la naturaleza de las funcionalidades de la superficie que se utilizan para anclar precursores moleculares personalizados. En su investigación pasada, Copéret y sus colegas demostraron que los sitios de superficie bien definidos resultantes, también denominados sitios únicos, puede superar a los catalizadores heterogéneos tanto homogéneos como clásicos.

Estos catalizadores funcionan mucho mejor que los correspondientes catalizadores de metátesis de óxidos metálicos soportados utilizados en la industria petroquímica durante años. Un problema con el último tipo de catalizadores es la falta de comprensión de las estructuras de los sitios activos que impide las estrategias de desarrollo racionales.

"En años recientes, hemos estado interesados ​​en comprender los sitios activos de estos óxidos metálicos soportados utilizados en la industria mediante la exploración de métodos para generar análogos de superficie bien definidos a través de nuestra metodología SOMC, a saber, mediante el anclaje de precursores moleculares en superficies y la generación de sitios metálicos aislados mediante la eliminación de los ligandos orgánicos restantes mediante postratamientos simples, "Explicó Copéret." Nuestro objetivo era generar estos análogos bien definidos para llevar a cabo estudios espectroscópicos detallados con el objetivo final de derivar relaciones estructura-actividad a nivel molecular y principios de guía para desarrollar estos catalizadores heterogéneos ".

Esencialmente, SOMC trabaja controlando la incorporación de sitios metálicos a través de enfoques de injerto, permitiendo en última instancia la generación de sitios superficiales bien definidos. Este enfoque molecular permite construir catalizadores con sitios activos caracterizados estructuralmente, en marcado contraste con los catalizadores industriales, que son mucho más complejos debido a sus métodos de preparación en agua, por ejemplo, mediante precipitación o impregnación de una sal metálica.

Las técnicas convencionales para fabricar catalizadores tienden a producir mezclas complejas y sistemas mal definidos debido a la intrincada interacción entre las sales metálicas, agua y el soporte que involucra múltiples eventos de disolución / precipitación. Por otra parte, Los catalizadores resultantes de los procesos SOMC tienden a estar mejor definidos, permitiendo a los investigadores acceder a información estructural sobre sus sitios de metal.

"La química en el agua y los óxidos es mucho más complicada de lo que uno puede pensar, ", Dijo Copéret." Utilizando nuestro enfoque, simplemente simplificamos la química ".

En su artículo reciente, Copéret resume los activos clave de SOMC, destacando su potencial para impulsar la innovación en catálisis y en la industria petroquímica. Si bien todavía quedan varios desafíos por superar, él cree que SOMC podría eventualmente ayudar a incrementar la comprensión de los eventos catalíticos a nivel molecular.

"Los catalizadores preparados por SOMC proporcionan un modelo muy agradable, donde la espectroscopia proporciona información relevante sobre especies activas, Dado que la mayoría de los sitios de la superficie son de naturaleza similar por diseño, Copéret explicó. "También permite acceder a la firma de especies activas y proponer información estructural sobre sitios activos en los catalizadores industriales correspondientes".

Hasta aquí, Copéret y sus colaboradores en ETH Zürich han utilizado con éxito SOMC para comprender los sitios activos de catalizadores heterogéneos para la metátesis y polimerización de olefinas, así como para la deshidrogenación de propano. La comprensión molecular derivada de estos modelos podría servir en última instancia como un principio rector para preparar catalizadores heterogéneos de una manera más racional y ya se ha utilizado para desarrollar procesos de metátesis a baja temperatura.

Los investigadores ahora están llevando a cabo más estudios en los que planean utilizar los sitios únicos desarrollados con SOMC para controlar las interfaces y la composición de sistemas mucho más complejos. como nanopartículas compatibles, una clase aún mayor de catalizadores heterogéneos. En estos sistemas, el (los) metal (s), el apoyo, y los promotores juegan un papel importante, sin embargo, a menudo se entienden mal a nivel molecular, lo que hace que los catalizadores basados ​​en nanopartículas soportadas sean particularmente difíciles de desarrollar de manera racional.

"Como se resume en un artículo que escribimos a principios de este año y publicado en el Acc. Chem. Res . diario, estamos utilizando SOMC y los sitios únicos derivados para preparar estas nanopartículas soportadas con el objetivo de comprender los efectos de soporte y promotor y derivar el principio rector de base molecular, "También estamos utilizando estos sistemas para descubrir nuevas reacciones mediante el diseño de interfaces complejas para el diseño de procesos en tándem", dijo Copéret.

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