Catalisador cerâmico usa sódio e boro para impulsionar reações industriais sustentáveis

Catalisadores heterogêneos aceleram as reações químicas por estarem em um estado diferente dos reagentes. Eles são eficientes e estáveis, mesmo sob condições desafiadoras, como alta temperatura ou pressão. Tradicionalmente, metais como ferro, platina e paládio têm sido amplamente utilizados em indústrias como petroquímica e agricultura para reações importantes como hidrogenação e processo de Haber.

No entanto, esses metais são raros e podem apresentar problemas como acúmulo de coque. Os cientistas exploram cada vez mais elementos comuns como catalisadores para aplicações industriais mais sustentáveis ​​e económicas.

Em meados da década de 2000, a introdução do conceito de par frustrado de Lewis (FLP) marcou um grande avanço na catálise, particularmente na ativação de pequenas moléculas. Um FLP é composto de uma combinação de dois componentes – um atuando como ácido de Lewis e outro como base de Lewis – que são incapazes de reagir totalmente entre si devido a obstáculos espaciais ou eletrônicos. Esta “frustração” deixa-os num estado altamente reativo, permitindo-lhes ativar moléculas estáveis ​​como o hidrogénio, o dióxido de carbono ou o amoníaco, que normalmente são bastante difíceis de quebrar.

Os FLPs se destacam por possuírem múltiplos sítios ativos, o que os torna mais reativos e seletivos em comparação aos catalisadores tradicionais, que normalmente possuem apenas um sítio ativo. Existem dois tipos principais de FLPs: FLPs regulados por defeitos heterogêneos e FLPs homogêneos de base molecular.

O primeiro tipo controla o número de sítios ativos através de defeitos superficiais; pode ser entediante ajustar com precisão sua reatividade e controlar sua estabilidade. O segundo tipo envolve pequenas moléculas onde o par ácido-base existe dentro do mesmo estrutura molecularfacilitando o ajuste de sua reatividade simplesmente alterando os componentes circundantes.

Um estudo abriu novos caminhos ao adaptar FLPs de base molecular para uso em sistemas de estado sólido. Os pesquisadores conseguiram isso aproveitando a versatilidade química dos polímeros pré-cerâmicos por meio do processo Polymer-Derived Ceramic (PDC).

Este esforço colaborativo reuniu especialistas de todo o mundo, incluindo o Professor Yuji Iwamoto e o Dr. Shotaro Tada do Instituto de Tecnologia de Nagoya, Japão; Dr. Samuel Bernard da Universidade de Limoges, França; e o professor Ravi Kumar, do Instituto Indiano de Tecnologia de Madras, na Índia. Suas descobertas foram publicado em Angewandte Chemie Edição Internacional em 11 de novembro de 2024.

O professor Yuji Iwamoto, o pesquisador principal, explica: “Usamos um polímero de organossilício contendo nitrogênio, conhecido como polissilazano, como precursor dos locais de base de Lewis, bem como da matriz de nitreto de silício amorfo (a-SiN). Ao convertê-lo através um processo termoquímico, criamos a estrutura a-SiN com tamanhos de poros controlados com precisão que atuam como campos de reação nanoconfinados.”

Neste estudo, a equipe de pesquisa modificou quimicamente o polissilazano com boro (B) – um ácido de Lewis naturalmente abundante e menos tóxico – e sódio (Na). O materials modificado foi então exposto ao fluxo de amônia a 1000 ° C, o que resultou em nitreto de silício-boro amorfo dopado com sódio (SiBN dopado com Na).

Usando técnicas espectroscópicas de ponta, os pesquisadores descobriram como o materials SiBN dopado com sódio interagia com o hidrogênio em nível molecular. Eles descobriram que a estrutura única deste materials aumentava a reatividade dos locais de boro e nitrogênio quando expostos ao hidrogênio. Especificamente, as moléculas de hidrogênio interagiram tanto com os sítios de boro quanto com os íons de sódio, transformando a porção boro-nitrogênio 3 vezes coordenada em uma estrutura mais distorcida e polar para formar uma geometria 4 vezes coordenada com moléculas pequenas, agindo como Lewis frustrado. locais ácidos (FLA).

Quando o hidrogênio foi introduzido em certas temperaturas, desencadeou mudanças nas ligações nitrogênio-hidrogênio (NH), levando à formação de locais de base de Lewis frustrados (FLB). Esses locais criaram um padrão de interação dinâmica do FLP que permitiu a adsorção e dessorção reversíveis de hidrogênio, confirmada por meio de experimentos termodinâmicos. A alta energia de ativação para liberação de hidrogênio sugeriu interações fortestornando o materials um catalisador promissor para reações eficientes e sustentáveis ​​à base de hidrogênio.

Este recém-desenvolvido materials SiBN amorfo dopado com sódio se destaca por sua excepcional estabilidade térmica, superando outros FLPs moleculares e tornando-o um candidato very best para processos catalíticos sob condições adversas. Além disso, sua estrutura flexível à base de cerâmica oferece imenso potencial para aplicações práticas, particularmente em reações de hidrogenação, que são processos essenciais em indústrias como energia e química.

“Esta abordagem é promissora para o avanço das interações de fase sólida-gás mediadas por grupos principais em catálise heterogênea, oferecendo insights valiosos e prometendo impactos significativos neste domínio”, explica o professor Iwamoto.

As descobertas pioneiras deste estudo destacam o potencial deste materials inovador para revolucionar a catálise sustentável.