Una micrografía electrónica anular de campo oscuro de alto ángulo de una nanopartícula de oro-paladio sobre un soporte de óxido de titanio.
(PhysOrg.com) - Las nanopartículas de oro y paladio (Au-Pd) podrían conducir a una forma más eficiente y ecológica de producir benzoato de bencilo, un compuesto químico ampliamente utilizado en los alimentos, Industrias farmacéuticas y químicas cuyas aplicaciones incluyen un fijador de fragancias, un aditivo alimentario y un disolvente para reacciones químicas.
El método más común para producir benzoato de bencilo es hacer reaccionar ácido benzoico con alcohol bencílico. También se puede generar a partir de benzaldehído. Los tres materiales de partida se derivan del tolueno, un componente del petróleo crudo. La fabricación de alcohol bencílico y benzaldehído requiere el uso de halógenos y disolventes ácidos, mientras que el ácido benzoico se produce mediante una reacción catalizada por cobalto en fase líquida más respetuosa con el medio ambiente.
Un equipo de investigación dirigido por Graham Hutchings, profesor de química en la Universidad de Cardiff en Gales en el Reino Unido, y Christopher Kiely, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Lehigh, ha encontrado una forma de producir benzoato de bencilo directamente a partir de tolueno en un proceso de un solo paso que utiliza nanopartículas de Au-Pd para catalizar la reacción.
“Al optimizar la relación Au-Pd en la nanopartícula, así como las condiciones de reacción, pudimos lograr tasas de conversión de más del 95 por ciento sin conversión a dióxido de carbono, ”Dice Hutchings.
Una micrografía electrónica de alta resolución de una nanopartícula de oro-paladio sobre un soporte de óxido de titanio.
Iluminando el tamaño de las partículas y la actividad catalítica
Los investigadores informaron su hallazgo el 14 de enero en Ciencias revista en un artículo titulado "Oxidación sin disolventes de enlaces primarios de carbono-hidrógeno en tolueno usando nanopartículas de aleación de Au-Pd". El artículo fue coautor de Hutchings y Kiely y otros 10 investigadores, incluyendo Ramchandra Tiruvalam, un Doctorado en Lehigh. candidato que trabaja con Kiely.
En lugar de fabricar los catalizadores mediante técnicas convencionales de impregnación de soportes, los investigadores eligieron una ruta de preparación que implicaba la inmovilización en sol de coloides de Au-Pd utilizando soportes de óxido de titanio y carbono amorfo. Esta técnica ofrece un control mucho mayor sobre el tamaño y la composición de las partículas que los métodos convencionales.
Los estudios de microscopía electrónica de transmisión (TEM) llevados a cabo por Tiruvalam revelaron que los tamaños medios de partículas eran muy similares, 3,3 nanómetros sobre carbono y 3,5 nm sobre óxido de titanio.
“A pesar de tener una distribución de tamaño de partícula muy similar, Se encontró que las muestras de Au-Pd / carbono tenían aproximadamente el doble de actividad catalítica que las muestras de Au-Pd / óxido de titanio, "Dice Kiely, quien dirige el Laboratorio de Nanocaracterización en el Centro de Materiales Avanzados y Nanotecnología de Lehigh.
"Esto sugiere que las simples consideraciones sobre el área de la superficie del metal no dominan la actividad catalítica".
Conseguir estabilidad y reutilización
Usando el TEM con corrección de aberraciones de Lehigh, Tiruvalam pudo demostrar que las partículas eran de hecho partículas de aleación de Au-Pd, que los del óxido de titanio tenían muchas facetas y tendían a formar una interfaz plana con el soporte, y que los del carbono eran mucho más redondeados.
“La diferencia en la actividad catalítica puede estar relacionada con las diferencias en el número de sitios de borde y esquina de bajo número de coordinación disponibles, ”Explica Kiely. "Las partículas más redondeadas 'más ásperas' en el soporte de carbono tienen significativamente más de estos sitios que las partículas más planas en el soporte de óxido de titanio".
En un conjunto final de experimentos, Los investigadores pudieron demostrar que los catalizadores de Au-Pd / carbono no mostraron pérdida de actividad después de su uso y que hubo pocos cambios en la forma y el tamaño de las partículas después de períodos de reacción prolongados.
“Está claro que estos catalizadores altamente activos son estables y reutilizables, ”Dice Kiely.
