Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio han demostrado que las partículas de óxido de cobre en la sub-nanoescala son catalizadores más poderosos que las de la nanoescala. Estas subnanopartículas también pueden catalizar las reacciones de oxidación de los hidrocarburos aromáticos de forma mucho más eficaz que los catalizadores que se utilizan actualmente en la industria. Este estudio allana el camino para una mejor y más eficiente utilización de los hidrocarburos aromáticos, que son materiales importantes tanto para la investigación como para la industria.

La oxidación selectiva de hidrocarburos es importante en muchas reacciones químicas y procesos industriales, y como tal, Los científicos han estado buscando formas más eficientes de llevar a cabo esta oxidación. Óxido de cobre (CunO _X ) las nanopartículas se han encontrado útiles como catalizadores para el procesamiento de hidrocarburos aromáticos, pero la búsqueda de compuestos aún más eficaces ha continuado.

En el pasado reciente, los científicos aplicaron catalizadores a base de metales nobles compuestos por partículas en el nivel sub-nano. En este nivel, Las partículas miden menos de un nanómetro y cuando se colocan sobre sustratos adecuados, pueden ofrecer áreas de superficie incluso más altas que los catalizadores de nanopartículas para promover la reactividad (Fig. 1).

En esta tendencia, un equipo de científicos que incluía al profesor Kimihisa Yamamoto y al Dr. Makoto Tanabe del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) investigó reacciones químicas catalizadas por CunO _X subnanopartículas (SNPs) para evaluar su desempeño en la oxidación de hidrocarburos aromáticos. CunO _X SNP de tres tamaños específicos (con 12, 28, y 60 átomos de cobre) se produjeron dentro de estructuras arbóreas llamadas dendrímeros (Fig. 2). Apoyado sobre un sustrato de zirconia, se aplicaron a la oxidación aeróbica de un compuesto orgánico con un anillo aromático de benceno.

Se utilizó espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectroscopía infrarroja (IR) para analizar las estructuras de los SNP sintetizados, y los resultados fueron respaldados por cálculos de la teoría de la funcionalidad de la densidad (DFT).

El análisis de XPS y los cálculos de DFT revelaron un aumento de la ionicidad de los enlaces cobre-oxígeno (Cu-O) a medida que disminuía el tamaño de SNP. Esta polarización de enlace fue mayor que la observada en los enlaces de Cu-O a granel, y la mayor polarización fue la causa de la mayor actividad catalítica del CunO _X SNP.

Tanabe y los miembros del equipo observaron que el CunO _X Los SNP aceleraron la oxidación del CH ₃ grupos unidos al anillo aromático, lo que conduce a la formación de productos. Cuando el CunO _X No se utilizó catalizador SNP, no se formaron productos. El catalizador con el CunO más pequeño _X SNP, Cu ₁₂ Buey, tuvo el mejor rendimiento catalítico y resultó ser el más duradero.

Como explica Tanabe, "la mejora de la ionicidad de los enlaces Cu-O con la disminución del tamaño del CunO _X Los SNP permiten su mejor actividad catalítica para las oxidaciones de hidrocarburos aromáticos ".

Su investigación respalda el argumento de que existe un gran potencial para el uso de SNP de óxido de cobre como catalizadores en aplicaciones industriales. "El funcionamiento catalítico y el mecanismo de estos CunO sintetizados de tamaño controlado _X Los SNP serían mejores que los de los catalizadores de metales nobles, que se utilizan con mayor frecuencia en la industria en la actualidad, "Yamamoto dice, insinuando lo que CunO _X Los SNP pueden lograrlo en el futuro.