Los catalizadores son materiales clave en la sociedad moderna, permitiendo la conversión selectiva de materias primas en productos valiosos mientras se reduce el desperdicio y se ahorra energía. En caso de reacciones de deshidrogenación oxidativa de importancia industrial, La mayoría de los sistemas catalíticos conocidos se basan en metales de transición como el hierro, vanadio, molibdeno o plata. Debido a los inconvenientes intrínsecos asociados con el uso de metales de transición, como una ocurrencia rara, procesos mineros nocivos para el medio ambiente, y toxicidad, el hecho de que el carbono puro presente actividad catalítica en este tipo de reacción y, por tanto, tenga un alto potencial como material de sustitución sostenible es de gran interés.

Hasta la fecha, El desarrollo de catalizadores basados ​​en carbono para reacciones de deshidrogenación oxidativa puede dividirse en dos generaciones. La primera generación de catalizadores de carbono se inspiró en el descubrimiento de la actividad catalítica de los depósitos de coque en los catalizadores a base de metales para la deshidrogenación oxidativa. Después, Se investigaron principalmente materiales de carbón amorfo como el carbón activado o el negro de carbón. Aunque estos primeros catalizadores exhibieron una actividad y selectividad significativas, sufrieron de una estabilidad a la oxidación insuficiente y más tarde fueron sucedidos por la segunda generación de catalizadores de deshidrogenación basados ​​en carbono representados por nanomateriales de carbono, p.ej. nanotubos de carbon. La ventaja de los nanocarbonos sobre los catalizadores amorfos de la primera generación proviene principalmente de su microestructura cristalina, que es, por un lado, responsable de una adecuada resistencia a la oxidación y permite altas actividades redox por el otro. Dado que los nanocarbonos carecen de porosidad interna, estos sitios activos se encuentran en la superficie exterior, haciéndolos fácilmente accesibles a los reactivos. Sin embargo, Los nanocarbonos presentan inconvenientes durante la manipulación como polvo y lechos fijos o riesgos para la salud poco claros y, por lo tanto, todavía están a la espera de su aplicación industrial como material catalítico.

Considerando el alto potencial de los catalizadores de carbono en las reacciones de deshidrogenación oxidativa, el grupo de investigación del profesor Bastian J. M. Etzold lleva varios años trabajando en la síntesis de nuevas clases de carbono con el objetivo de trasladar las excelentes propiedades catalíticas de los nanocarbonos a los convencionales, Materiales de carbono fáciles de manejar. Ya en 2015, Se demostró que, en principio, los carbonos derivados de carburo se pueden utilizar para lograr propiedades catalíticas similares a las de los nanomateriales de carbono. Sin embargo, Dado que los carbonos derivados del carburo son solo materiales modelo para fines de investigación debido a su compleja síntesis, Se mantuvo el objetivo fundamental de la investigación de desarrollar una ruta sintética escalable y reproducible para catalizadores de carbono técnicamente útiles. En colaboración con el profesor Wei Qi del Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang en Shenyang, R. P. de China, así como el profesor Jan Philipp Hofmann del Laboratorio de Ciencias de Superficies en TU Darmstadt, Felix Herold, un doctorado estudiante del grupo Etzold, ahora ha logrado sintetizar una nueva generación de catalizadores de carbono que es superior a los nanocarbonos en muchos aspectos.

La síntesis de los nuevos catalizadores de carbono se basa en precursores de carbono poliméricos que pueden producirse mediante una ruta sintética reproducible y fácilmente escalable, al tiempo que proporciona un excelente control de la morfología del carbono posterior. Usando grafitización catalítica, se demostró que durante la pirólisis del precursor del polímero, Los cristalitos de grafito a nanoescala podrían crecer dentro de la matriz de carbono. Fundamental en este contexto parece ser la presencia de grandes dominios conjugados (grafíticos) caracterizados por una alta densidad de sitios de defectos, donde el oxígeno se agrupa en la superficie, como los grupos carbonilo cetónicos, se crean durante la reacción. La actividad de estos grupos de superficie parece aumentar a través de los dominios conjugados (grafíticos) vecinos, que puede actuar como almacenamiento de electrones. La grafitización catalítica produce un material híbrido amorfo / grafítico que consiste en los cristalitos de grafito crecidos anteriormente rodeados por una matriz de carbono amorfo. Para obtener un catalizador de deshidrogenación activo, la matriz de carbono amorfo se elimina por oxidación selectiva, abriendo la estructura de poros del material de carbono y proporcionando accesibilidad a los dominios de grafito catalíticamente activos.

La deshidrogenación oxidativa del etanol se eligió como una reacción de prueba de gran interés práctico, ya que proporciona un enlace catalítico entre el bioetanol, que se puede obtener fácilmente a partir de recursos renovables, y acetaldehído, un intermedio importante en la química industrial actual. En comparación con un catalizador de nanotubos de carbono de referencia, Se podrían lograr rendimientos de espacio-tiempo hasta 10 veces más altos con la nueva clase de materiales de carbono.

Los nuevos catalizadores de carbono presentados en este trabajo son de gran importancia, mientras abren la puerta a una nueva clase de materiales, cuyo potencial aún no se ha evaluado debido a las múltiples posibilidades de optimización de la ruta sintética flexible. Además del uso de la nueva clase de catalizadores de carbono en la deshidrogenación oxidativa de otros sustratos relevantes, como alcanos y otros alcoholes, También se espera que el ámbito de aplicación se extienda a la electro y fotocatálisis.