Los catalizadores de matriz sólida llamados catalizadores heterogéneos se encuentran entre las aplicaciones industriales más extendidas en la reducción de gases tóxicos, combustible sin quemar, y materia particulada en la corriente de escape de la cámara de combustión. También se utilizan en energía, químico, y sectores farmacéuticos, es decir., producción de biodiésel, polímeros, conversión de biomasa / residuos en productos valiosos, y muchos otros procesos. Todo gracias a sus sitios activos y gran superficie. Sin embargo, su alta eficiencia está limitada por el precio astronómico de los metales nobles, Entonces, Los sustitutos rentables con una efectividad comparable parecen ser un santo grial para la industria. Un artículo reciente presentado por científicos del Instituto de Química Física, Academia de Ciencias de Polonia dirigida por el dr. eng. Izabela S. Pieta se enfrenta al desafío de presentar un compuesto bimetálico nanoestructural novedoso para catálisis.

C como catálisis

Los catalizadores están en todas partes y tienen un impacto tremendo en los procesos químicos. Nos rodean incluso en la naturaleza; por ejemplo, las células requieren catalizadores naturales como enzimas para múltiples procesos bioquímicos. Lo mismo ocurre en el campo de la conversión de energía, donde los catalizadores sólidos persiguen procesos tecnológicos. Según los motores de combustión, Los metales nobles como el platino se colocan en los gases de combustión que salen de la cámara de combustión. Una vez que los gases tóxicos tocan la superficie de los catalizadores, se descomponen, dando CO a los productos finales ₂ y H ₂ O. El secreto radica en los sitios activos en el material que influye en la energía de adsorción de los intermediarios de reacción y la activación de los estados de transición. El mecanismo final de ruptura de enlaces conduce a la formación de moléculas particulares. Produce estrellas de rock de metales nobles en aplicaciones industriales.

En décadas recientes, la aplicación de catalizadores creció enormemente, alcanzar un punto crítico para los altos costos de los metales preciosos necesarios para el combustible, farmacia, y producción de compuestos químicos. Entonces, La catálisis económica de alta eficiencia se convirtió en uno de los principales desafíos para el progreso futuro de muchas tecnologías industriales. Con seguridad, es casi imposible proporcionar un material que cumpla con todos los requisitos industriales. Seguramente podemos mejorar mucha actividad del catalizador e incluso la durabilidad mediante modificaciones químicas de las superficies activas para el proceso dado. mientras que comencemos desde el principio:tamaño del catalizador. Los nanomateriales ofrecen una alta relación superficie-volumen que aumenta su actividad. En el caso de los metales nobles, mantener el tamaño nanométrico hace que estos materiales sean altamente activos, proporcionando fuerte unión de reactivos y selectividad de catalizadores.

Nuevos catalizadores en el horizonte

Recientemente, científicos del Instituto de Química Física dirigido por el dr. Izabela S. Pieta describió catalizadores bimetálicos nanoestructurales inmovilizados en la superficie semiconductora para su posible aplicación en térmicos, Foto-, y electrocatálisis. Ya se ha informado que esos sistemas dan resultados extraordinarios en procesos dedicados a las pilas de combustible, es decir., electrooxidación de metanol y etanol (I.S.Pieta et al. Catálisis aplicada B:ambiental , 2019, 244), productos químicos verdes sostenibles, y producción de combustibles (I.S.Pieta et al. Catálisis aplicada B:ambiental , 2019, 244, y Química e Ingeniería Sostenible de ACS, 2020, 8 (18), e incluso reducción de dióxido de carbono hacia combustibles gaseosos y líquidos (I.S.Pieta et al. Materiales avanzados Interfaces, 2021, 2001822). Echemos un vistazo más de cerca a ellos.

En nanoestructuras bimetálicas, dos metales, p.ej., Pt-Au, Están unidos, donde el metal primario funciona como un rol de anfitrión, y el segundo es un invitado. En otras palabras, es una aleación, mientras que en una escala nanométrica, la distribución de átomos particulares en las partículas tiene un significado tremendo.

Curiosamente, Las estructuras bimetálicas presentan una mayor actividad catalítica en comparación con sus contrapartes monometálicas. Su unión puede diferir de una mezcla de dos metales diferentes donde el segundo se distribuye con bastante regularidad en la matriz del primero o estructura núcleo-capa donde el primer metal se recubre con el segundo. Otra opción son las nanoestructuras que tienen dos mitades químicamente diferentes (llamadas nanopartículas de Janus) o que unen dos nanopartículas químicamente diferentes. Desafortunadamente, estas combinaciones de dos metales diferentes pueden sufrir cambios constantes a tan pequeña escala debido a la reorganización atómica.

La composición y disposición atómica en estructuras bimetálicas determinan su desempeño catalítico. Los nanomateriales pueden aglomerarse fácilmente o cambiar la estructura de la superficie debido a su alta actividad superficial, reduciendo su eficacia de catálisis. Es más, su superficie puede ser fácilmente envenenada por los semiproductos de reacciones químicas, por lo que es difícil predecir los cambios que tienen lugar en las superficies bimetálicas que afectan la actividad del material.

Entonces, ¿por qué no empezar desde el principio y crear una plataforma que estabilice estas nanoestructuras? Una vez asentado, las nanopartículas serían menos susceptibles a los cambios superficiales. Los investigadores propusieron estabilizar nanopartículas bimetálicas sobre el material conductor de la electricidad como el carbono o el nitruro de carbono. Luego, su superficie fue modificada con material polimérico basado en el nitruro de carbono grafítico (g-C3N4) compuesto por subunidades de moléculas de triazina fusionadas en triángulos planos que parecen la hoja de grafeno. La superficie del sistema bimetálico se investigó mediante varias técnicas espectroscópicas.

"El desarrollo y la optimización de nanocatalizadores bimetálicos podría proporcionar una nueva clase de materiales con rendimiento sintonizable, estabilidad térmica, y costes reducidos en comparación con los catalizadores comerciales actualmente disponibles. Anticipamos que gracias a las propiedades únicas del material de soporte, es decir., nitruro de carbono grafítico, estos catalizadores pueden encontrar una aplicación potencial en -termica / -electro / y -fotocatálisis. Sin embargo, antes de que eso suceda, uno necesita entender cómo diseñar el sistema bimetálico eficiente, cómo funciona este sistema en condiciones de funcionamiento, y por qué es importante la relación forma-estructura-actividad, "Reclama Izabela S.Pieta.

g-C3N4 tiene una rica estructura de heteroátomos que revela propiedades catalíticas. Gracias a la presencia de múltiples grupos funcionales, puede albergar fácilmente en su superficie sistemas bimetálicos como el noble Pt-Au Pt-Pd, o nanopartículas de Cu-Ni basadas en metales de transición. Se ha considerado un material de apoyo prometedor que estabiliza las nanopartículas bimetálicas e inhibe su envenenamiento con productos químicos. Es más, brinda una gran oportunidad para la recolección de energía solar y la conversión en un producto valioso u otra forma de energía.

"Inspirado en la naturaleza, La humanidad ha aprendido que la luz solar es una de las fuentes de energía más poderosas de la Tierra. La conversión efectiva de luz en una forma de energía utilizable está principalmente limitada debido a una separación de carga no eficiente y una arquitectura de catalizadores de recolección de luz deficiente. Los requisitos previos para una recolección espectral amplia y una alineación favorable del nivel de energía para el proceso de activación por luz previsto deben ir acompañadas de una recolección y separación de carga rápidas. compitiendo con éxito con la recombinación de carga fotogenerada. El problema mencionado anteriormente podría superarse mediante la selección adecuada de componentes fotoactivos y la ingeniería adecuada de fotorreactores. La combinación de las propiedades del material y la tecnología de microfluidos es una solución perfecta que integra múltiples componentes y proporciona una solución simple para el proceso catalítico continuo en dinámica líquido-líquido, líquido sólido, o interfaces gas-sólido-líquido, "Primera autora, la Dra. Ewelina Kuna, afirma.

La inmovilización protege contra cambios en la superficie y la aglomeración de nanopartículas y permite una aplicación escalable en una gran superficie.

Observaciones dr. Izabela Pieta, "Se sabe que los sistemas catalíticos bimetálicos proporcionan actividades catalíticas más altas, y permitieron alcanzar eficiencias muy altas en muchos procesos. Todavía estamos enfocados en sistemas más complejos donde la composición del catalizador y la disposición de la estructura pueden resultar en una mayor actividad pero una mayor selectividad hacia productos específicos y una mejor estabilidad del catalizador frente al envenenamiento. durabilidad, y de por vida. Nuestra investigación cubre una comprensión fundamental de las superficies catalíticas y el desarrollo del mecanismo de reacción en condiciones no aisladas. Este conocimiento seguramente resultará en un diseño de catalizador innovador, tanto a escala molecular (diseño de arquitectura de sitio activo) como a escala aplicativa (escala de reactor industrial) mediante la adaptación de múltiples sitios activos catalíticos y su distribución sobre las superficies de trabajo ".

Las nanopartículas bimetálicas incrustadas en la superficie de carbono modificado g-C3N4 parecen ser una plataforma universal en catálisis, Llevando luz brillante a los procesos que necesitan soluciones nanoestructurales novedosas. Gracias a estos estudios centrados en la relación forma y estructura-actividad en sistemas bimetálicos y su inmovilización en la matriz escalable y económica, Estamos un paso más cerca de los diseños de catalizadores novedosos y sostenibles para la industria.