Las estructuras cristalinas microscópicas llamadas estructuras organometálicas (MOF) pueden proporcionar una forma de resolver uno de los mayores problemas en la catálisis de funcionalización del metano. un proceso químico económicamente importante.

El auge de la producción de gas de esquisto en la nación de los últimos años ha llevado a muchos investigadores a buscar nuevas formas de funcionalizar el metano, es decir, transformarlo en algo más valioso. Uno de esos productos podría ser el metanol.

"Hay muchas formas de funcionalizar el metano, pero una forma que sería rentable y abundante es la transformación de metano en metanol, "dijo Max Delferro, el líder del grupo del programa de ciencia de la catálisis en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Desafortunadamente, el metano es una de las moléculas más estables. Es difícil activar el metano ".

Pero ahora, un equipo liderado por Delferro y Omar Farha, profesor asociado de química en la Universidad Northwestern, ha demostrado una nueva forma de activar el metano con MOF, como resultado de sus esfuerzos conjuntos en el Centro de Diseño de Catalizadores Inorganometálicos, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el DOE. Ellos y siete coautores publicaron recientemente su método en Catálisis de la naturaleza .

"Este ejemplo muestra cómo diseñar materiales cristalinos, en particular MOF, conducirá a soluciones de oportunidades complejas pero emocionantes, "dijo Farha, quien también es presidente y cofundador de NuMat Technologies.

Una molécula de metano consta de un átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno. Pero funcionalizar enlaces carbono-hidrógeno en metano es un proceso particularmente desafiante que la mayoría de los catalizadores conocidos pueden lograr solo en condiciones extremadamente ácidas y / o oxidantes.

El equipo de Argonne-Northwestern, sin embargo, ha demostrado por primera vez que los MOF pueden producir selectivamente un producto de metano infundido con boro específico mediante catálisis de forma selectiva, una técnica industrial ampliamente utilizada para la síntesis de productos químicos y el procesamiento de hidrocarburos. La catálisis de forma selectiva puede distinguir entre moléculas que son ligeramente diferentes en tamaño y pueden formar selectivamente solo un producto químico deseado. Pero para que la técnica funcione, el espacio poroso del catalizador debe ser comparable al tamaño de las moléculas involucradas en la reacción.

Desde la década de 1960, Las zeolitas se han utilizado comúnmente para realizar este tipo de catálisis. Las zeolitas son minerales cristalinos microporosos que a menudo incluyen silicio, Aluminio y Oxigeno. Se utilizan comúnmente como adsorbentes y catalizadores comerciales y tienen una estructura en forma de jaula en la que las moléculas de reactivo pueden quedar atrapadas. Pero si las moléculas son demasiado grandes para caber dentro del marco, no puede ocurrir catálisis.

En MOF, Las moléculas orgánicas y los grupos de óxidos metálicos sirven como enlaces y nodos, respectivamente. Los MOF son candidatos atractivos para realizar catálisis selectiva de forma porque son estructuralmente ajustables, señaló el autor principal Xuan Zhang de Northwestern y sus colegas en el artículo de Nature Catalysis. A diferencia de las zeolitas, se pueden sintetizar con tamaños de poros y aperturas hechos a medida para moléculas específicas.

"Max Delferro y Omar Farha son excelentes científicos que se benefician de la infraestructura que ofrece el Centro de Diseño de Catalizadores Inorganometálicos para realizar investigaciones de vanguardia que promoverán el conocimiento y la economía de nuestra nación, "dijo Laura Gagliardi, director del Centro de Diseño de Catalizadores Inorganometálicos, basado en la Universidad de Minnesota.

Los investigadores se inspiraron para este trabajo en dos artículos publicados consecutivamente el 25 de marzo de 2016, cuestión de Ciencias , por equipos de la Universidad de Michigan y la Universidad de Pennsylvania. Esos equipos mostraron cómo podían introducir un compuesto a base de boro, en un proceso llamado borilación, y ofrecen una ruta prometedora para la activación del metano en condiciones químicas más suaves de lo que sería posible de otro modo.

Los equipos de Michigan y Pensilvania observaron por separado el proceso de boryilación produciendo productos que eran tanto monoborilados (tecnológicamente valiosos) como bisborilados (no deseados). Pero al insertar un catalizador a base de iridio (sintetizado en Northwestern) dentro de los MOF, el equipo de Argonne-Northwestern pudo producir una reacción que formó solo el producto monoborilado; los poros de los MOF eran demasiado pequeños para que se formara el producto bisborilado.

Los químicos del Noroeste también boryilaron el metano simultáneamente bajo una variedad de condiciones de reacción en el Laboratorio de Investigación de Alto Rendimiento de Argonne. Luego, el equipo documentó los detalles del estado de oxidación del catalizador de iridio en experimentos de absorción de rayos X en la línea de rayos X del Equipo de Acceso Colaborativo de Investigación de Materiales (MR-CAT) dentro de la Fuente de Fotones Avanzados (APS) de Argonne. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

En la siguiente fase de su investigación, Delferro y Farha intentarán activar el metano con la misma química, pero sustituirán a metales abundantes en la Tierra como el hierro, cobalto, níquel y cobre para iridio, que es raro y caro.

"Estamos entusiasmados con el futuro de esta química, "Dijo Delferro." Si podemos hacer la misma química con el hierro, entonces realmente estamos en el negocio ".

El artículo de Nature Catalysis "Funcionalización catalítica quimioselectiva de metano en un marco metal-orgánico, "también incluye a los miembros del equipo de Argonne, Zhiyuan Huang, Magali Ferrandon y Dali Yang como autores.