Los científicos han diseñado un catalizador compuesto por concentraciones muy bajas de platino (átomos individuales y grupos de menos de mil millonésimas de metro) en la superficie del dióxido de titanio. Demostraron cómo este catalizador mejora significativamente la tasa de ruptura de un enlace carbono-oxígeno particular para la conversión de un derivado vegetal (alcohol furfurílico) en un biocombustible potencial (2-metilfurano). Su estrategia, descrita en un artículo publicado en Catálisis de la naturaleza el 23 de marzo:podría aplicarse al diseño estable, activo, y catalizadores selectivos basados ​​en una amplia gama de metales soportados en óxidos metálicos para producir productos químicos y combustibles de utilidad industrial a partir de moléculas derivadas de la biomasa.

"Para que una molécula genere un producto en particular, la reacción debe dirigirse a lo largo de una determinada ruta porque son posibles muchas reacciones secundarias que no son selectivas para el producto deseado, "explicó el coautor Anibal Boscoboinik, un científico de planta en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) Interface Science and Catalysis Group en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Para convertir el alcohol furfurílico en biocombustible, el enlace entre los átomos de carbono y oxígeno en el grupo lateral unido a la parte en forma de anillo de la molécula debe romperse, sin producir reacciones en el anillo. Típicamente, el catalizador metálico que rompe este enlace también activa reacciones relacionadas con el anillo. Sin embargo, el catalizador diseñado en este estudio solo rompe el enlace carbono-oxígeno del grupo lateral ".

Los anillos aromáticos son estructuras con átomos conectados a través de enlaces simples o dobles. En moléculas derivadas de residuos vegetales, los anillos aromáticos tienen a menudo grupos laterales que contienen oxígeno. Transformar derivados de desechos vegetales en productos útiles requiere la eliminación de oxígeno de estos grupos laterales rompiendo enlaces carbono-oxígeno específicos.

"La biomasa contiene mucho oxígeno, que debe eliminarse parcialmente para dejar moléculas más útiles para la producción de combustibles renovables, plástica, y lubricantes de alto rendimiento, "dijo el co-primer autor Jiayi Fu, estudiante de posgrado en el Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) de la Universidad de Delaware (UD). "Hidrodesoxigenación, una reacción en la que se usa hidrógeno como reactivo para eliminar el oxígeno de una molécula, es útil para convertir la biomasa en productos de valor agregado ".

En este estudio, los científicos plantearon la hipótesis de que la adición de metales nobles a las superficies de óxidos metálicos moderadamente reducibles (aquellos que pueden perder y ganar átomos de oxígeno) promovería la hidrodesoxigenación.

"La eliminación de oxígeno de la superficie del óxido forma un sitio de anclaje donde las moléculas se pueden mantener en su lugar para que se puedan romper y formar los enlaces necesarios, ", dijo el co-primer autor y estudiante de posgrado de la UD CCEI Jonathan Lym." Estudios previos en las comunidades de catálisis y semiconductores han demostrado cuántas impurezas pueden influir en la superficie ".

Para probar su hipótesis, el equipo seleccionó platino como metal noble y dióxido de titanio (titania) como óxido metálico. Los cálculos teóricos y el modelado indicaron que la formación de vacantes de oxígeno es más favorable desde el punto de vista energético cuando se introducen átomos individuales de platino en la superficie de titania.

Después de sintetizar el catalizador de platino-titania en UD, realizaron varios estudios de caracterización estructural y química en las instalaciones de Brookhaven y Argonne National Labs. En la instalación de microscopía electrónica de CFN, obtuvieron imágenes del catalizador a alta resolución con un microscopio electrónico de transmisión de barrido. En la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II), utilizaron la línea de luz de espectroscopía de rayos X blandos (IOS) in situ y Operando y la línea de luz de absorción y dispersión rápida de rayos X (QAS) para rastrear el estado químico (oxidación) del platino. A través de estudios complementarios de espectroscopía de rayos X en Advanced Photon Source (APS) de Argonne, determinaron la distancia entre átomos en el catalizador.

"Este trabajo es un gran ejemplo de cómo las instalaciones de usuarios científicos proporcionan a los investigadores la información complementaria necesaria para comprender materiales complejos, ", dijo el director de CFN, Chuck Black." CFN está comprometida con nuestra asociación con NSLS-II para permitir este tipo de estudios por parte de científicos de todo el mundo ".

De vuelta en Delaware, el equipo realizó estudios de reactividad en los que colocaron el catalizador y el alcohol furfurílico en un reactor y detectaron los productos mediante cromatografía de gases, una técnica de separación química analítica. Además de estos experimentos, teóricamente calcularon la cantidad de energía requerida para que se desarrollaran los diferentes pasos de la reacción. Sobre la base de estos cálculos, ejecutaron simulaciones por computadora para determinar las vías de reacción preferibles. Las distribuciones de productos experimentales y simuladas indicaron que se generan productos de reacción de anillo insignificantes cuando está presente una concentración baja de platino. A medida que aumenta esta concentración, los átomos de platino comienzan a agregarse en grupos más grandes que provocan reacciones en el anillo.

"El marco complementario experimental y computacional permite una comprensión detallada de lo que está sucediendo en la superficie de un material muy complejo de manera que podemos generalizar conceptos para el diseño racional de catalizadores, ", dijo Boscoboinik." Estos conceptos pueden ayudar a predecir combinaciones adecuadas de metales y óxidos metálicos para llevar a cabo las reacciones deseadas para convertir otras moléculas en productos valiosos ".

"Este trabajo en equipo de varios miembros solo se puede habilitar mediante actividades similares a las de un centro, "agregó el autor correspondiente Dionisios Vlachos, la Cátedra UD Allan &Myra Ferguson de Ingeniería Química.