Recentemente, catalisadores à base de carbono – especialmente nanocarbonos dopados com nitrogênio – surgiram como alternativas sustentáveis ​​e confiáveis ​​aos catalisadores metálicos tradicionalmente usados ​​para apoiar reações químicas.



Pesquisadores do Laboratório Principal de Materiais Funcionais Avançados à Base de Carbono (Universidade da Província de Fujian) da Universidade de Fuzhou sintetizaram nanocarbonos a partir de moléculas de guanina para entender melhor o papel preciso que o nitrogênio desempenha em materiais à base de carbono e explorar os mecanismos de reação desses sistemas catalíticos.

Num estudo publicado recentemente, a equipa de investigação esclareceu como diferentes tipos de azoto podem modular a atividade de desidrogenação oxidativa – um processo crítico envolvido na conversão de compostos inertes em nanocarbonos reativos.

O estudo foi publicado na revista Carbon Future em 4 de fevereiro.

“O estudo oferece orientação teórica para a criação de catalisadores de carbono altamente eficazes, que poderiam promover energias limpas convertidas a partir de recursos renováveis ​​em indústrias como plásticos, medicamentos e borracha”, disse o autor do estudo, Zailai Xie, da Universidade de Fuzhou.

A dopagem de materiais de carbono com heteroátomos como o nitrogênio pode alterar as propriedades do carbono. Esta prática ganhou um interesse significativo, levando os pesquisadores a investigar possíveis benefícios. A dopagem com nitrogênio, em particular, demonstrou ser uma estratégia altamente eficaz na criação de materiais avançados para captura de dióxido de carbono, conversão de energia, armazenamento de energia e outras aplicações.

Apesar dos avanços registados no domínio da dopagem com azoto, ainda existem algumas questões fundamentais que permanecem sem resposta. Por exemplo, o desempenho dos materiais de nanocarbono é significativamente influenciado por grupos funcionais de átomos na superfície - mas, até agora, os materiais de nanocarbono exibem grupos funcionais de superfície incontroláveis, o que complica a identificação de sítios ativos para diferentes tipos de reações.

"Esse comportamento dificulta nossa compreensão do papel intrínseco que os dopantes de nitrogênio desempenham na melhoria da atividade catalítica e na determinação do mecanismo catalítico", disse Xie.

De acordo com Xie, para avançar ainda mais no campo da catálise de nanocarbonos dopados com nitrogênio, os pesquisadores precisam de catalisadores mais controlados e melhor caracterizados. Isso permitiria aos pesquisadores isolar os efeitos de espécies específicas de nitrogênio no desempenho catalítico.

Na busca desse objetivo, a equipe de pesquisa da Universidade de Fuzhou desenvolveu um método para controlar com precisão grupos funcionais de superfície, principalmente grupos de oxigênio e nitrogênio, durante a geração de catalisadores de nanocarbonos.

A equipe obteve um conjunto de nanocarbonos por meio da automontagem de moléculas de guanina – um composto encontrado no guano ou nas escamas de peixe – e expôs o material resultante ao calor sem oxigênio. Inspirando-se na automontagem supramolecular de componentes biológicos como a guanina e nucleobases relacionadas, como a guanosina, esta abordagem sintética oferece um meio intrigante de gerar nanomateriais ordenados.

Essas moléculas possuem sítios de ligação π empilhados, ligados por H e outros sítios de ligação multiplex que facilitam a formação de conjuntos supramoleculares funcionais. A guanina, estando amplamente presente nas estruturas fotônicas biogênicas de vários organismos vivos, apresenta diversas formas e tamanhos, incluindo placas hexagonais, placas quadradas, polígonos irregulares e prismas.

As variações sutis na morfologia dos cristais de guanina contribuem para os fenômenos ópticos coloridos observados em animais, como escamas de peixes, corpos de aranhas e olhos de animais. No entanto, o controle preciso da morfologia dos cristais biogênicos de guanina nos organismos permanece pouco compreendido.

Apesar das propriedades notáveis ​​dos cristais de guanina, a produção artificial de cristais regulares de guanina que imitam de perto as condições biológicas e a sua subsequente transformação em materiais de carbono funcionais ainda não foi alcançada na abordagem de síntese química.

"Os carbonos sintetizados exibiram propriedades únicas e intrigantes, incluindo grupos de oxigênio de superfície relativamente estáveis ​​e alto teor de nitrogênio", disse Xie.

Além disso, a presença de múltiplas ligações de hidrogênio na guanina permitiu a formação de uma nanofolha bidimensional com tipos controláveis ​​de dopantes de nitrogênio. O teor de nitrogênio pode ser ajustado com precisão de aproximadamente 5% a 30%, enquanto o teor de oxigênio pode ser mantido em consistentes 4%.

"Esta propriedade única torna a guanina um precursor de prova de conceito ideal para modelos de construção de catalisadores que podem levar a uma compreensão profunda do papel dos dopantes com alto teor de nitrogênio na catálise de nanocarbonos", disse Xie.

Para investigar ainda mais as relações estrutura-função, a equipe testou reações de desidrogenação e hidrogenação, nas quais as moléculas de hidrogênio são removidas ou adicionadas a uma molécula maior. Os testes demonstraram que diferentes tipos de nitrogênio nos nanocarbonos, nomeadamente nitrogênio grafítico e nitrogênio piridínico, servem como moduladores doadores e retiradores de elétrons, respectivamente, o que pode adaptar a atividade de desidrogenação oxidativa dos nanocarbonos.

"Como um catalisador eficiente e livre de metal, desvendamos pela primeira vez os papéis dos dopantes de nitrogênio na desidrogenação e na hidrogenação", disse Xie. "Acreditamos que nossas descobertas fornecem informações valiosas sobre os mecanismos de reação físico-química dos sistemas catalíticos de carbono dopado com nitrogênio e oferecem orientação teórica para a síntese de catalisadores de carbono altamente eficazes."

Mais informações: Xuefei Zhang et al, Identificação do papel dos dopantes de nitrogênio na catálise de nanocarbonos, Carbon Future (2024). DOI:10.26599/CF.2024.9200008
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua