Para converter hidrocarbonetos em combustível, a indústria petroquímica atualmente depende principalmente de catalisadores heterogêneos, que na maioria dos casos contêm sítios ativos de metal com estruturas mal definidas. Nos últimos anos, Contudo, uma área de estudo conhecida como química organometálica de superfície (SOMC) permitiu o projeto e desenvolvimento de muito mais definido, os chamados catalisadores de sítio único, em que sites de metal podem ser adaptados para atender a requisitos específicos.

Christophe Copéret, um professor da ETH Zürich, tem investigado o potencial do SOMC para sintetizar combustíveis e transportadores de energia de maneiras que até agora eram inatingíveis com o uso de técnicas tradicionais. Em um artigo recente publicado em Nature Energy , ele escreve que SOMC pode abrir novas rotas para a conversão de hidrocarbonetos, e também como pode contribuir para a descoberta de importantes processos de homologação de alcanos e para a compreensão de catalisadores heterogêneos.

"Estou interessado em compreender sistemas complexos, como catalisadores heterogêneos em nível molecular, "Copéret disse ao TechXplore." Em direção a esse objetivo, nosso laboratório desenvolveu experiência para gerar espécies de superfície bem definidas onde sítios de metal são ancorados em superfícies como uma primeira etapa por meio de enxerto. "

A fim de criar catalisadores com estruturas de superfície bem definidas, os pesquisadores precisam controlar a densidade e a natureza das funcionalidades de superfície que são usadas para ancorar precursores moleculares personalizados. Em suas pesquisas anteriores, Copéret e seus colegas mostraram que os locais de superfície bem definidos resultantes, também conhecido como sites únicos, pode superar catalisadores homogêneos e clássicos heterogêneos.

Esses catalisadores têm um desempenho muito melhor do que os correspondentes catalisadores de óxido de metal com suporte usados ​​na indústria petroquímica por anos. Um problema com o último tipo de catalisadores é a falta de compreensão das estruturas de locais ativos que impedem estratégias de desenvolvimento racionais.

"Nos últimos anos, estamos interessados ​​em compreender os locais ativos desses óxidos de metal suportados usados ​​na indústria, explorando métodos para gerar análogos de superfície bem definidos por meio de nossa metodologia SOMC, ou seja, através da ancoragem de precursores moleculares em superfícies e geração de sítios de metal isolados, removendo os ligantes orgânicos restantes por meio de pós-tratamentos simples, "Copéret explicou." Nosso objetivo era gerar esses análogos bem definidos para realizar estudos espectroscópicos detalhados com o objetivo final de derivar relações de estrutura-atividade em nível molecular e princípios de orientação para desenvolver esses catalisadores heterogêneos.

Essencialmente, SOMC funciona controlando a incorporação de sítios de metal por meio de abordagens de enxerto, em última análise, permitindo a geração de locais de superfície bem definidos. Esta abordagem molecular permite a construção de catalisadores com sítios ativos estruturalmente caracterizados, em forte contraste com catalisadores industriais, que são muito mais complexos por causa de seus métodos de preparação em água, por exemplo, por precipitação ou impregnação de um sal metálico.

As técnicas convencionais para a fabricação de catalisadores tendem a produzir misturas complexas e sistemas mal definidos devido à interação intrincada entre os sais de metal, água e o suporte que envolve vários eventos de dissolução / precipitação. Por outro lado, catalisadores resultantes de processos SOMC tendem a ser mais bem definidos, permitindo que os pesquisadores acessem informações estruturais sobre suas instalações de metal.

"Química em água e óxidos é muito mais complicada do que se pode pensar, "Copéret disse." Usando nossa abordagem, apenas simplificamos a química. "

Em seu artigo recente, Copéret resume os principais ativos da SOMC, destacando seu potencial para fomentar a inovação em catálise e na indústria petroquímica. Embora ainda existam vários desafios a superar, ele acredita que o SOMC poderia eventualmente ajudar a aumentar a compreensão dos eventos catalíticos em nível molecular.

"Os catalisadores preparados pela SOMC fornecem um modelo muito bom, onde a espectroscopia fornece informações relevantes sobre as espécies ativas, uma vez que a maioria dos locais de superfície são semelhantes em natureza por design, "Copéret explicou." Também permite acessar a assinatura de espécies ativas e propor informações estruturais sobre sítios ativos nos catalisadores industriais correspondentes. "

Até aqui, Copéret e seus colaboradores na ETH Zürich usaram com sucesso SOMC para entender os sítios ativos de catalisadores heterogêneos para a metátese e polimerização de olefinas, bem como para a desidrogenação do propano. A compreensão molecular derivada desses modelos poderia, em última análise, servir como um princípio orientador para preparar catalisadores heterogêneos de uma maneira mais racional e já foi usada para desenvolver processos de metátese em baixa temperatura.

Os pesquisadores estão agora realizando outros estudos nos quais planejam usar os sites únicos desenvolvidos com SOMC para controlar interfaces e composição de sistemas muito mais complexos, como nanopartículas com suporte, uma classe ainda maior de catalisadores heterogêneos. Nestes sistemas, o (s) metal (s), o apoio, e os promotores desempenham papéis importantes, no entanto, são frequentemente mal compreendidos a nível molecular, o que torna os catalisadores baseados em nanopartículas suportadas particularmente difíceis de desenvolver de forma racional.

"Conforme resumido em um artigo que escrevemos no início deste ano e publicamos no Acc. Chem. Res . Diário, estamos usando SOMC e os locais únicos derivados para preparar essas nanopartículas com suporte com o objetivo de compreender os efeitos de suporte e promotor e derivar o princípio de orientação com base molecular, "Copéret disse." Também estamos usando esses sistemas para descobrir novas reações, projetando interfaces complexas para o projeto de processos em tandem. "

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