10.02.2020 - Tokyo Institute of Technology

El poder de hacerse pequeño: Los catalizadores de subnanopartículas de óxido de cobre son los más superiores

Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio han demostrado que las partículas de óxido de cobre en la subescala son catalizadores más potentes que las de la nanoescala. Estas subnanopartículas también pueden catalizar las reacciones de oxidación de los hidrocarburos aromáticos de manera 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 los 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. Las nanopartículas de óxido de cobre (CunOx) han resultado útiles como catalizador para el procesamiento de hidrocarburos aromáticos, pero ha continuado la búsqueda de compuestos aún más eficaces.

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

En esta tendencia, un equipo de científicos, entre los que se encontraban el Prof. Kimihisa Yamamoto y el Dr. Makoto Tanabe del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokio Tech), investigaron las reacciones químicas catalizadas por las subnanopartículas de CunOx (SNP) para evaluar su rendimiento en la oxidación de hidrocarburos aromáticos. Los SNPs de CunOx de tres tamaños específicos (con 12, 28 y 60 átomos de cobre) se produjeron dentro de marcos arbóreos llamados dendrímeros (Fig. 2). Apoyados en un sustrato de circonio, se aplicaron a la oxidación aeróbica de un compuesto orgánico con un anillo de benceno aromático.

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la espectroscopia de infrarrojos (IR) se utilizaron para analizar las estructuras de los SNPs sintetizados, y los resultados fueron apoyados por los cálculos de la teoría de funcionalidad de la densidad (DFT).

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

Tanabe y los miembros del equipo observaron que los SNPs de CunOx aceleraban la oxidación de los grupos de CH3 unidos al anillo aromático, lo que daba lugar a la formación de productos. Cuando no se utilizó el catalizador CunOx SNP, no se formaron productos. El catalizador con los SNPs de CunOx más pequeños, Cu12Ox, tuvo el mejor rendimiento catalítico y demostró ser el más duradero.

Como explica Tanabe, "el aumento de la ionicidad de los enlaces de Cu-O con la disminución del tamaño de los SNPs de CunOx permite su mejor actividad catalítica para las oxidaciones de hidrocarburos aromáticos".

Sus investigaciones apoyan la afirmación de que existe un gran potencial para utilizar los SNPs de óxido de cobre como catalizadores en aplicaciones industriales. "El rendimiento y el mecanismo catalítico de estos SNPs CunOx sintetizados de tamaño controlado sería mejor que el de los catalizadores de metales nobles, que se utilizan más comúnmente en la industria en la actualidad", dice Yamamoto, insinuando lo que los SNPs CunOx pueden lograr en el futuro.

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