Quantos nanômetros devem ter as nanopartículas de catalisador para otimizar o curso da reação? Os pesquisadores geralmente procuram a resposta por meio de trabalhosos, testes repetitivos. No Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências em Varsóvia, uma técnica qualitativamente nova foi desenvolvida para melhorar o processo de otimização em sistemas microfluídicos. O tamanho das nanopartículas de catalisador agora pode ser alterado interativamente, durante um fluxo contínuo através do leito do catalisador.

O desempenho dos catalisadores portadores de metal geralmente depende do tamanho das nanopartículas de metal. Usualmente, seu tamanho é determinado ao longo de muitos testes laboriosos. O método é inflexível - uma vez que as reações começaram, nada pode ser feito com o catalisador. No Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências (IPC PAS) em Varsóvia, o grupo do Dr. Jacinto Sá desenvolveu uma nova técnica para otimizar as reações químicas durante o fluxo microfluídico contínuo através do leito do catalisador, e, portanto, literalmente "na hora". Isso foi conseguido por meio do controle interativo do tamanho das nanopartículas do catalisador. Devido à sua simplicidade e eficiência, esta técnica inovadora deverá em breve ser utilizada na pesquisa de novos catalisadores para as indústrias farmacêutica e de perfumaria, entre outros.

“A catálise de fluxo está se tornando cada vez mais popular porque leva à intensificação de processos importantes para a indústria. Nossa técnica é o próximo passo nessa direção:reduzimos o tempo necessário para determinar os tamanhos das nanopartículas de catalisador. Isso significa que podemos mais otimizar rapidamente as reações químicas e até mesmo alterar interativamente seu curso. Um argumento importante aqui é também o fato de que todo o processo é realizado dentro de um pequeno dispositivo, portanto, reduzimos os custos de equipamentos adicionais, "diz o Dr. Sá.

Cientistas do IPC PAS demonstraram sua conquista com um sistema baseado em um microrreator de fluxo disponível comercialmente equipado com um cartucho substituível com um catalisador de metal adequadamente projetado. Por eletrólise da água, o microrreator selecionado pode fornecer hidrogênio, necessária para a hidrogenação de compostos químicos no líquido que flui, para o leito do catalisador. O meio de reação era uma solução de citral, um composto aldeído orgânico com aroma de limão.

O experimento usou catalisador de níquel NiTSNH ₂ na forma de um pó preto fino, que foi desenvolvido anteriormente no IPC PAS. É composto por grãos de resina polimérica recobertos por nanopartículas de níquel. O tamanho do grão é de aprox. 130 micrômetros e as nanopartículas do catalisador são inicialmente de três a quatro nanômetros.

"No centro de nossa conquista é mostrar como modificar a morfologia das nanopartículas de catalisador em uma sequência com uma reação química. Após cada mudança no tamanho das nanopartículas, obtemos informações imediatas sobre o efeito dessa modificação na atividade do catalisador. Portanto, é fácil avaliar quais nanopartículas são ideais para uma determinada reação química, "explica o estudante de doutorado Damian Gizinski (IPC PAS).

No sistema descrito na revista ChemCatChem , os pesquisadores aumentaram o tamanho das nanopartículas do catalisador para cinco, nove e 12 nm de forma controlada. O efeito de crescimento foi obtido por lavagem do leito do catalisador com uma solução de álcool contendo íons de níquel. Dentro da cama, eles foram depositados nas nanopartículas existentes e reduzidos sob a influência do hidrogênio. O tamanho final das nanopartículas depende aqui do tempo de exposição à solução com Ni ²⁺ íons.

Na reação com citral, os melhores desempenhos catalíticos foram obtidos com nanopartículas de 9 nm. Os pesquisadores também observaram que até 9 nm, o crescimento de nanopartículas favoreceu o redirecionamento da reação para a produção citronelal, enquanto acima desse valor, a via para o citronelol foi preferida (diferenças resultaram do fato de que nanopartículas menores favoreceram a hidrogenação seletiva da ligação insaturada C =C, enquanto os maiores ativaram a ligação C =C e a ligação carbonila C =O). Esses dois compostos têm propriedades ligeiramente diferentes:o citronelal é usado para repelir insetos, especialmente mosquitos, e como um agente antifúngico; citronelol não só repele insetos, mas também atrai ácaros, também é usado para produzir perfumes.

Para aplicações potenciais da nova técnica, é importante que após a modificação, os catalisadores eram estáveis ​​por pelo menos cinco horas em um fluxo contínuo da solução de reação, tanto no que diz respeito à sua atividade como à seletividade.