Los catalizadores suelen ser materiales sólidos cuya superficie entra en contacto con gases o líquidos, lo que permite ciertas reacciones químicas. Sin embargo, esto significa que cualquier átomo del catalizador que no esté en la superficie no tiene ningún propósito real. Por lo tanto, es importante producir materiales extremadamente porosos, con un área superficial lo más grande posible por gramo de material catalizador.

Los científicos de TU Wien (Viena), junto con otros grupos de investigación, han desarrollado ahora un nuevo método para producir estructuras similares a esponjas altamente activas con porosidad en la escala nanométrica. El avance decisivo se logró a través de un proceso de dos pasos:se utilizan estructuras metal-orgánicas (MOF), que ya contienen muchos agujeros diminutos. Luego, se crea un tipo diferente de agujeros:estos agujeros artificiales sirven como un camino de alta velocidad para las moléculas. Esto hizo posible batir récords de actividad anteriores en la división del agua en hidrógeno y oxígeno. Los resultados ahora se han publicado en la revista Nature Communications .

Una esponja a escala nanométrica

"Los marcos orgánicos de metal son una clase emocionante de materiales multifuncionales", dice Shaghayegh Naghdi, autor principal del estudio. "Están compuestos por diminutos grupos de metal y oxígeno que están vinculados con pequeñas moléculas orgánicas en redes híbridas altamente porosas. Afuera vemos un material sólido, sin embargo, en la nanoescala tiene mucho espacio abierto que ofrece las áreas de superficie específicas más grandes conocidas". de hasta 7000 m ² por gramo."

Estas características recomiendan el uso de MOF en la separación y el almacenamiento de gases, la purificación del agua y la administración de fármacos. Además, la proximidad a escala atómica de compuestos moleculares con distintas propiedades químicas, electrónicas y ópticas los convierte en candidatos prometedores para foto y electrocatálisis.

"Hasta ahora, el mayor problema era que el diámetro de los poros intrínsecos es demasiado pequeño para un recambio catalítico eficiente", dice el profesor Dominik Eder. "Estamos hablando de poros muy largos y extremadamente pequeños de 0,5 a 1 nm de diámetro, que es aproximadamente del tamaño de muchas moléculas pequeñas. Las moléculas reactivas tardan un tiempo en llegar a los sitios activos dentro de los MOF, lo que ralentiza el proceso catalítico. reacción considerablemente."

Para superar esta limitación, el grupo desarrolló un método que aprovecha la flexibilidad estructural de los MOF. "Incorporamos dos enlazadores orgánicos estructuralmente similares, pero químicamente diferentes, para crear marcos de ligandos mixtos", explica el Dr. Alexey Cherevan.

"Debido a la diferente estabilidad térmica de los dos ligandos, pudimos eliminar uno de los ligandos de manera muy selectiva a través de un proceso llamado termólisis", dice Shaghayegh Naghdi. De esa forma, se pueden agregar tipos adicionales de poros con un diámetro de hasta 10 nanómetros. Los nanoporos originales del material se complementan con poros de "tipo fractura" interconectados, que pueden actuar como una conexión de alta velocidad para las moléculas a través del material.

Seis veces más reactivo

El grupo de IMC se asoció con colegas de la Universidad de Viena y Technion en Israel y utilizó una gran cantidad de técnicas experimentales y teóricas de vanguardia para caracterizar completamente los nuevos materiales, que también se probaron para H_{2 evolución. The introduction of fracture-type pores could increase the catalytic activity by six times, which places these MOFs top among the currently best photocatalysts for hydrogen production.}

The greatest benefits introducing larger pores are expected in liquid-phase applications, particularly involving the adsorption, storage and conversion or larger molecules, such as for example in the fields of drug delivery and wastewater treatment.

This new process also provides additional benefits for photo/electrocatalytic applications:"The selective removal of ligands introduces unsaturated metal sites that can serve as additional catalytic reaction centers or adsorption sites. We expect that these sites will affect the reaction mechanism and thus the product selectivity of more complex catalytic processes," explains Prof. Eder. The team is currently testing this hypothesis with MOFs for the photocatalytic conversion of CO₂ into sustainable fuels and commodity chemicals. There is also an interest from the chemical industry in these catalysts for aiding a potential replacement of energy-demanding thermal catalytic processes with greener photocatalytic processes at low temperatures and ambient conditions.

The new method is highly versatile and can be applied to a variety of MOF structures and applications. "Since we currently know of about 99.000 synthesized MOFs and MOF-type structures," says Shaghayegh Naghdi, "there is actually a lot of work waiting for us in the future." + Explora más

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