A integração de enxofre em nanoestruturas aumenta a eficiência catalítica nas reações de hidrogenação

Apesar das evidências naturais indicando a importância e a eficiência do enxofre como um catalisador para reações redox críticas, incluindo hidrogenação (adição de hidrogênio à molécula) e desidrogenação (seu oposto), os químicos lutaram para gerenciar a complexidade e a fragilidade da enzima em escala.

Agora, pesquisadores da Northwestern College desenvolveram uma nova abordagem para integrar websites ativos de metal-sulfur em Estruturas metal-orgânicasou mofs. Os MOFs contendo enxofre superaram significativamente suas contrapartes que não são de sulfure na catálise de hidrogenação, abrindo caminho para métodos mais acessíveis para estudar os locais ativos que eles criam.

“Acelerar a catálise é essencial para aumentar a eficiência, reduzindo consumo de energia e minimizar impacto ambientalcomo reações mais rápidas levam a rendimentos mais altos em um período mais curto “, disse o especialista em MOF do Northwestern e co-correspondente, Omar K. Farha.” Os MOFs são uma excelente plataforma para estudar e otimizar catalisadores “.

O estudo, publicado hoje no diário Química da naturezasuporta aplicações MOF existentes em armazenamento de gás, Captura de carbonoAssim, Entrega de medicamentos e Purificação da águae utiliza as propriedades estruturais exclusivas dos MOFs e a área de alta superfície para acelerar a catálise.

“Quase não houve exemplos de locais de metal-sulfur bem definidos em estruturas porosas como MOFs”, disse o primeiro autor Haomiao Xie, que liderou a experimentação do estudo na Northwestern. “Este estudo preenche essa lacuna introduzindo um novo método para instalar baseado em enxofre websites ativos em MOFs sem comprometer sua estrutura, abrindo um caminho para criar modelos semelhantes a enzimas em materiais estáveis “.

Os MOFs são materiais porosos e cristalinos de tamanho nano, estruturados para criar uma grande área de superfície e são projetados com poros para capturar gases, vapores e outros agentes-semelhante à maneira como uma esponja captura água.

“Vemos isso como uma abordagem generalizável para replicar as características dos locais de metal-sulfur em materiais sólidos e estáveis, enfrentando um desafio de longa information no campo”, disse Farha. “O estudo fornece à comunidade científica uma nova e poderosa estratégia para projetar e estudar catalisadores de metal-sulfur em uma ampla gama de estruturas para uma variedade de aplicações”.

Farha, professor de química na Faculdade de Artes e Ciências de Weinberg, é membro do Instituto Paula M. Triens do Northwestern de Sustentabilidade e Energia.

Para avaliar a eficácia de sua solução de várias etapas (que converteu quimicamente ligações de cloreto de steel em metal-hidróxido e depois para o sulfeto de steel), a equipe usou ferramentas estruturais e espectroscópicas avançadas para confirmar que a estrutura permaneceu intacta durante toda a sua transformação química, incluindo análise de difração de raios-X de cristal único e análise de difração de elétrons. A equipe combinou insights experimentais e computacionais para mostrar que o hidrogênio permitiu ao enxofre ativar com mais eficiência – chave do desempenho catalítico aprimorado do MOF.

“O estudo demonstra como os ligantes de enxofre mudam fundamentalmente a reatividade dos locais de steel, algo que pode ser amplamente útil ao longo da catálise”, disse Laura Gagliardi, autora de correspondência e professora de química e engenharia molecular da Universidade de Chicago. “Os cálculos da teoria funcional da densidade descobrem como os ligantes de enxofre aumentam a reatividade e diminuem as barreiras de energia para a ativação do hidrogênio”.

Como os químicos testaram a abordagem em apenas duas famílias de MOFs, eles planejam avançar a pesquisa tentando instalar locais semelhantes em famílias adicionais que possuem diferentes propriedades estruturais. A partir daí, eles podem experimentar reações modelo mais complexas e expandir o escopo da reatividade de hidrogenação para medir seu efeito em substratos mais desafiadores.