28.08.2020 - Ames Laboratory

Nuevo ensamblaje de nitrógeno El catalizador de carbono tiene el potencial de transformar la fabricación de productos químicos

Transformaciones químicas más sofisticadas y desafiantes sin necesidad de metales de transición

Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de los Estados Unidos han descubierto un catalizador a base de carbono sin metal que tiene el potencial de ser mucho menos costoso y más eficiente para muchas empresas industriales, incluyendo la fabricación de biocombustibles y combustibles fósiles, electrocatálisis y celdas de combustible.

En lo más fundamental, estos procesos industriales implican la división de fuertes enlaces químicos, como los enlaces hidrógeno-hidrógeno, carbono-oxígeno y carbono-hidrógeno. Tradicionalmente esto se ha logrado con catalizadores que utilizan metales de transición o preciosos, muchos de ellos caros y de baja abundancia natural, como el platino y el paladio.

Los científicos realizaron experimentos con un tipo de catalizador heterogéneo, los carbones de ensamblaje de nitrógeno (NAC), en los que el diseño y la colocación del nitrógeno en la superficie del carbono influyeron en gran medida en la actividad catalítica del material. Anteriormente se creía que estos átomos de N en las superficies de carbono estaban distantes unos de otros, ya que la colocación cercana de los átomos de N es termodinámicamente inestable. El equipo del Laboratorio Ames correlacionó los precursores de N y la temperatura de pirólisis para la síntesis de NACs con la distribución de N y descubrió que los ensamblajes de N metaestables pueden ser hechos por diseño y entregar reacciones catalíticas inesperadas. Esas reacciones incluyen la hidrogenolisis de los éteres arílicos, la deshidrogenación del etilbenceno y la tetrahidroquinolina, y la hidrogenación de funcionalidades insaturadas comunes (como los grupos cetona, alqueno, alquino y nitro). Además, los catalizadores de los NAC son robustos y tienen una selectividad y actividad constantes para las reacciones en fase líquida y gaseosa a alta temperatura y/o presión.

"Descubrimos que la forma en que el nitrógeno se distribuía en la superficie de estos NACs realmente importaba, y en el proceso nos dimos cuenta de que se trataba de un tipo completamente nuevo de actividad química", dijo el científico asociado del Laboratorio Ames, Long Qi.

"El descubrimiento debería permitir a los científicos diseñar ensamblajes de nitrógeno que sean capaces de lograr transformaciones químicas más sofisticadas y desafiantes sin necesidad de metales de transición", dijo el científico del Laboratorio Ames Wenyu Huang. "Se aplica ampliamente a muchos tipos diferentes de conversiones químicas e industrias".

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