p Os catalisadores são materiais essenciais na sociedade moderna, permitindo a conversão seletiva de matérias-primas em produtos valiosos, reduzindo o desperdício e economizando energia. No caso de reações de desidrogenação oxidativa industrialmente relevantes, a maioria dos sistemas catalisadores conhecidos são baseados em metais de transição, como o ferro, vanádio, molibdênio ou prata. Devido às desvantagens intrínsecas associadas ao uso de metais de transição, como ocorrência rara, processos de mineração ambientalmente prejudiciais, e toxicidade, o fato de que o carbono puro exibe atividade catalítica neste tipo de reação e, portanto, tem alto potencial como um material de substituição sustentável é de grande interesse. p A data, o desenvolvimento de catalisadores à base de carbono para reações de desidrogenação oxidativa pode ser dividido em duas gerações. A primeira geração de catalisadores de carbono foi inspirada pela descoberta da atividade catalítica de depósitos de coque em catalisadores à base de metal para desidrogenação oxidativa. Subseqüentemente, principalmente materiais de carbono amorfo, como carvão ativado ou negro de fumo, foram investigados. Embora esses catalisadores iniciais tenham exibido atividade e seletividade significativas, eles sofriam de estabilidade de oxidação insuficiente e mais tarde foram sucedidos pela segunda geração de catalisadores de desidrogenação à base de carbono representados por nanomateriais de carbono, por exemplo. nanotubos de carbono. A vantagem dos nanocarbonos sobre os catalisadores amorfos da primeira geração decorre principalmente de sua microestrutura cristalina, que é por um lado responsável por uma resistência à oxidação adequada e permite altas atividades redox por outro. Uma vez que os nanocarbonos não têm porosidade interna, esses sítios ativos estão localizados na superfície externa, tornando-os prontamente acessíveis aos reagentes. Contudo, os nanocarbonos apresentam suas desvantagens durante o manuseio como pó e leitos fixos ou riscos pouco claros para a saúde e, portanto, ainda aguardam aplicação industrial como material catalítico.

p Considerando o alto potencial dos catalisadores de carbono nas reações de desidrogenação oxidativa, O grupo de pesquisa do Professor Bastian J. M. Etzold vem trabalhando há vários anos na síntese de novas classes de carbono com o objetivo de transferir as excelentes propriedades catalíticas dos nanocarbonos para os convencionais, materiais de carbono fáceis de manusear. Já em 2015, foi demonstrado que os carbonos derivados de carboneto podem, em princípio, ser usados ​​para atingir propriedades catalíticas semelhantes aos nanomateriais de carbono. Contudo, uma vez que os carbonos derivados de carboneto são apenas materiais modelo para fins de pesquisa devido à sua síntese complexa, o objetivo fundamental da pesquisa de desenvolver uma rota sintética escalável e reproduzível para catalisadores de carbono tecnicamente úteis permaneceu. Em colaboração com o professor Wei Qi do Laboratório Nacional de Ciência de Materiais de Shenyang, em Shenyang, PR China, bem como o professor Jan Philipp Hofmann do Surface Science Laboratory em TU Darmstadt, Felix Herold, um Ph.D. aluno do grupo Etzold, agora conseguiu sintetizar uma nova geração de catalisadores de carbono que é superior aos nanocarbonos em muitos aspectos.

p A síntese dos novos catalisadores de carbono é baseada em precursores de carbono poliméricos que podem ser produzidos por uma via sintética reproduzível e facilmente escalável, proporcionando excelente controle da morfologia do carbono subsequente. Usando grafitização catalítica, foi demonstrado que durante a pirólise do precursor de polímero, Cristalitos de grafite em nanoescala podem ser cultivados dentro da matriz de carbono. Fundamental neste contexto parece ser a presença de grandes domínios conjugados (grafíticos) caracterizados por uma alta densidade de locais com defeitos, onde grupos de superfície de oxigênio, como grupos carbonil cetônicos, são criados durante a reação. A atividade desses grupos de superfície parece ser aumentada através dos domínios conjugados (grafíticos) vizinhos, que pode atuar como armazenamento de elétrons. A grafitização catalítica produz um material híbrido amorfo / grafítico que consiste nos cristalitos de grafite previamente crescidos rodeados por uma matriz de carbono amorfa. Para obter um catalisador de desidrogenação ativo, a matriz de carbono amorfa é removida por oxidação seletiva, abrir a estrutura de poros do material de carbono e fornecer acessibilidade aos domínios de grafite cataliticamente ativos.

p A desidrogenação oxidativa do etanol foi escolhida como uma reação teste de grande interesse prático, uma vez que fornece uma ligação catalítica entre o bioetanol, que pode ser facilmente obtido a partir de recursos renováveis, e acetaldeído, um importante intermediário na química industrial atual. Em comparação com um catalisador de nanotubo de carbono de referência, rendimentos espaço-tempo até 10 vezes maiores poderiam ser alcançados com a nova classe de materiais de carbono.

p Os novos catalisadores de carbono apresentados neste trabalho são de grande importância, à medida que abrem a porta para uma nova classe de materiais, cujo potencial ainda não foi avaliado devido às múltiplas possibilidades de otimização da rota sintética flexível. Além do uso da nova classe de catalisadores de carbono na desidrogenação oxidativa de outros substratos relevantes, como alcanos e outros álcoois, espera-se também que o escopo de aplicação seja estendido à eletrocatálise e fotocatálise.