Investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia han desarrollado un método interactivo para modificar el tamaño de las nanopartículas de catalizador durante el flujo en dispositivos microfluídicos. Crédito:IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski, kolorado.com.pl
¿Cuántos nanómetros deben tener las nanopartículas de catalizador para optimizar el curso de la reacción? Los investigadores suelen buscar la respuesta a través de trabajos pruebas repetitivas. En el Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia, Se desarrolló una técnica cualitativamente nueva para mejorar el proceso de dicha optimización en sistemas de microfluidos. El tamaño de las nanopartículas de catalizador ahora se puede cambiar de forma interactiva, durante un flujo continuo a través del lecho de catalizador.
El rendimiento de los catalizadores portadores de metales a menudo depende del tamaño de las nanopartículas metálicas. Generalmente, su tamaño se determina a lo largo de muchos consecutivos, pruebas laboriosas. El método es inflexible:una vez que han comenzado las reacciones, no se puede hacer nada con el catalizador. En el Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia (IPC PAS) en Varsovia, el grupo del Dr. Jacinto Sa desarrolló una nueva técnica para optimizar las reacciones químicas durante el flujo continuo de microfluidos a través del lecho catalítico, y así literalmente "sobre la marcha". Esto se logró mediante el control interactivo del tamaño de las nanopartículas de catalizador. Por su sencillez y eficacia, esta técnica innovadora pronto se utilizará en la investigación de nuevos catalizadores para las industrias farmacéutica y de perfumería, entre otros.
"La catálisis de flujo se está volviendo cada vez más popular porque conduce a la intensificación de procesos importantes para la industria. Nuestra técnica es el siguiente paso en esta dirección:reducimos el tiempo necesario para determinar los tamaños de las nanopartículas de catalizador. Eso significa que podemos más optimizar rápidamente las reacciones químicas e incluso cambiar de forma interactiva su curso. Un argumento importante aquí es también el hecho de que todo el proceso se lleva a cabo dentro de un pequeño dispositivo, por lo que reducimos los costos de equipos adicionales, "dice el Dr. Sa.
Los científicos del IPC PAS demostraron su logro con un sistema basado en un microrreactor de flujo disponible comercialmente equipado con un cartucho reemplazable con un catalizador metálico diseñado apropiadamente. Por electrólisis del agua, el microrreactor seleccionado podría suministrar hidrógeno, necesario para la hidrogenación de compuestos químicos en el líquido que fluye, al lecho del catalizador. El medio de reacción fue una solución de citral, un compuesto de aldehído orgánico con aroma a limón.
En dispositivos de microfluidos, el tamaño de las nanopartículas de catalizador se puede modificar de forma interactiva. Crédito:IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski
El experimento utilizó catalizador de níquel NiTSNH 2 en forma de fina pólvora negra, que fue desarrollado previamente en el IPC PAS. Consiste en granos de resina polimérica cubiertos con nanopartículas de níquel. El tamaño de grano es de aprox. 130 micrómetros y las nanopartículas del catalizador son inicialmente de tres a cuatro nanómetros.
"El núcleo de nuestro logro es mostrar cómo modificar la morfología de las nanopartículas de catalizador en una secuencia con una reacción química. Después de cada cambio en el tamaño de las nanopartículas, obtenemos información inmediata sobre el efecto de esta modificación sobre la actividad del catalizador. Por lo tanto, es fácil evaluar qué nanopartículas son óptimas para una reacción química determinada, "explica el estudiante de doctorado Damian Gizinski (IPC PAS).
En el sistema descrito en la revista ChemCatChem , los investigadores aumentaron el tamaño de las nanopartículas de catalizador a cinco, nueve y 12 nm de forma controlada. El efecto de crecimiento se logró lavando el lecho del catalizador con una solución de alcohol que contenía iones de níquel. Dentro de la cama se depositaron sobre las nanopartículas existentes y se redujeron bajo la influencia del hidrógeno. El tamaño final de las nanopartículas depende aquí del tiempo de exposición a la solución con Ni 2+ iones.
En la reacción con citral, los mejores rendimientos catalíticos se obtuvieron con nanopartículas de 9 nm. Los investigadores también observaron que hasta 9 nm, el crecimiento de nanopartículas favoreció la redirección de la reacción hacia la producción de citronelal, mientras que por encima de este valor se prefirió la vía hacia el citronelol (las diferencias resultaron del hecho de que las nanopartículas más pequeñas favorecieron la hidrogenación selectiva del enlace insaturado C =C, mientras que los más grandes activaron tanto el enlace C =C como el enlace carbonilo C =O). Estos dos compuestos tienen propiedades ligeramente diferentes:el citronelal se usa para repeler insectos, especialmente mosquitos, y como agente antifúngico; El citronelol no solo repele insectos sino que también atrae ácaros, también se utiliza para producir perfumes.
Para posibles aplicaciones de la nueva técnica, es importante que después de la modificación, los catalizadores eran estables al menos cinco horas en un flujo continuo de la solución de reacción, tanto en lo que respecta a su actividad como a su selectividad.
