28.07.2020 - Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Las moléculas de agua son el oro para la nanocatálisis

Algunos catalizadores muestran una notable alta actividad - Gracias al agua

Los nanocatalizadores hechos de nanopartículas de oro dispersas en óxidos metálicos son muy prometedores para la oxidación industrial y selectiva de compuestos, incluidos los alcoholes, en productos químicos valiosos. Muestran una elevada actividad catalítica, en particular en solución acuosa. Un equipo de investigadores de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha podido explicar por qué: Las moléculas de agua juegan un papel activo en facilitar la disociación de oxígeno necesaria para la reacción de oxidación. El equipo del Profesor Dominik Marx, Presidente de Química Teórica, informa en la revista de alto impacto ACS Catalysis el 14 de julio de 2020.

Apresurándose por el oro

La mayoría de los procesos de oxidación industrial implican el uso de agentes, como el cloro o los peróxidos orgánicos, que producen subproductos tóxicos o inútiles. En cambio, el uso de oxígeno molecular, O2, y su división para obtener los átomos de oxígeno necesarios para producir productos específicos sería una solución más ecológica y atractiva. Un medio prometedor para este enfoque es el sistema oro/óxido metálico (Au/TiO2), en el que el óxido metálico titania (TiO2) soporta nanopartículas de oro. Estos nanocatalizadores pueden catalizar la oxidación selectiva de hidrógeno molecular, monóxido de carbono y especialmente alcoholes, entre otros. Un paso crucial detrás de todas las reacciones es la disociación del O2, que comprende una barrera de energía generalmente alta. Y una incógnita crucial en el proceso es el papel del agua, ya que las reacciones tienen lugar en soluciones acuosas.

En un estudio de 2018, el grupo RUB de Dominik Marx, Presidente de Química Teórica y coordinador del área de investigación en el Cluster de Excelencia Ruhr Explores Solvation (Resolv), ya insinuó que las moléculas de agua participan activamente en la reacción oxidativa: Permiten un proceso de transferencia de carga gradual que conduce a la disociación del oxígeno en la fase acuosa. Ahora, el mismo equipo revela que la disolución facilita la activación del oxígeno molecular (O2) en el nanocatalizador de oro/óxido metálico (Au/TiO2): De hecho, las moléculas de agua ayudan a disminuir la barrera energética para la disociación del O2. Los investigadores cuantificaron que el disolvente reduce los costos de energía en un 25% en comparación con la fase gaseosa. "Por primera vez, ha sido posible comprender el impacto cuantitativo del agua en la reacción de activación del O2, que es fundamental para este nanocatalizador, y también entendimos por qué", dice Dominik Marx.

Cuida las moléculas de agua

Los investigadores del RUB aplicaron simulaciones por ordenador, las llamadas simulaciones de dinámica molecular ab initio, que incluían explícitamente no sólo el catalizador sino también hasta 80 moléculas de agua circundantes. Esto fue clave para obtener un profundo conocimiento del escenario de la fase líquida, que contiene agua, en comparación directa con las condiciones de la fase gaseosa, donde el agua está ausente. "Los trabajos computacionales anteriores empleaban simplificaciones o aproximaciones significativas que no tenían en cuenta la verdadera complejidad de un disolvente tan difícil, el agua", añade el Dr. Niklas Siemer, que recientemente obtuvo su doctorado en la RUB basándose en esta investigación.

Los científicos simularon las condiciones experimentales con alta temperatura y presión para obtener el perfil de energía libre de O2 tanto en fase líquida como gaseosa. Finalmente, pudieron rastrear la razón mecánica del efecto de disolución: Las moléculas de agua inducen un aumento de la carga de electrones locales hacia el oxígeno que está anclado en el perímetro de los nanocatalizadores; esto a su vez conduce a los menores costes energéticos de la disociación. Al final, dicen los investigadores, se trata de las propiedades únicas del agua: "Encontramos que la polarización del agua y su capacidad para donar enlaces de hidrógeno están detrás de la activación del oxígeno", dice el Dr. Muñoz-Santiburcio. Según los autores, la nueva estrategia computacional ayudará a comprender y mejorar la catálisis de oxidación directa en el agua y los alcoholes.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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