I principali componenti del petrolio e del gas naturale sono gli idrocarburi e le loro miscele, indispensabili come risorse a supporto delle moderne infrastrutture come materie prime per l'industria petrolchimica. Una tecnica convenzionalmente utilizzata per creare prodotti chimici benefici dagli idrocarburi consiste nell'utilizzare una grande quantità di perossidi metallici in solventi organici pericolosi per ossidare i composti di idrocarburi.
Per utilizzare le risorse in modo efficace e ridurre l'impatto ambientale, l'ossidazione catalitica pulita senza solventi utilizzando l'ossigeno nell'aria è stata un argomento di ricerca popolare negli ultimi anni. Particolarmente prevalente è la ricerca di nanoparticelle di metalli nobili supportate su materiali porosi di carbonio o ossidi metallici, e sono visti come catalizzatori promettenti. Elementi vitali che determinano la reattività di tali catalizzatori eterogenei sono la forma, dimensione, e composizione metallica delle nanoparticelle metalliche. Le particelle inferiori a 2 nm sono importanti per i nuovi catalizzatori ad alte prestazioni, poiché la riduzione del diametro della particella di catalizzatore non solo aumenta il rapporto tra area superficiale ma cambia notevolmente lo stato degli elettroni sulla superficie dei metalli, a sua volta modificando notevolmente la reattività. Però, trovare un metodo per sintetizzare queste piccole nanoparticelle metalliche controllando sia il diametro che la composizione è impegnativo.
Panoramica
Il gruppo di ricerca guidato da Kimihisa Yamamoto del Tokyo Institute of Technology ha sviluppato un metodo per sintetizzare nanoparticelle di leghe microscopiche utilizzando dendrimeri molecolari ramificati sviluppati nell'ambito del progetto Yamamoto Atom Hybrid nell'ambito del programma ERATO. Le molecole chiamate dendrimeri hanno una struttura ramificata regolare con un solo peso molecolare definito, anche se sono classificati come macromolecole. Il gruppo di ricerca ha implementato molti siti di coordinamento per la formazione di ioni metallici e complessi. Utilizzando un dendrimero con tali siti di coordinazione come modello per la nanoparticella, il gruppo è stato in grado di sintetizzare una nanoparticella con un numero controllato di atomi.
Ulteriore, hanno valutato l'attività di questa nanoparticella di lega come catalizzatore di ossidazione per idrocarburi a pressioni ordinarie quando si utilizza l'ossigeno nell'aria come agente ossidante. Hanno scoperto che la sua attività era 24 volte maggiore di quella dei catalizzatori disponibili in commercio per l'ossidazione dei composti organici. Hanno anche scoperto che aggiungendo una quantità catalitica di idroperossido organico, questo catalizzatore favorisce l'ossidazione degli idrocarburi in aldeidi e chetoni a temperature e pressioni ordinarie. Ulteriore, confrontando le variazioni di attività dovute a catalizzatori in lega di diverse composizioni metalliche ed esaminando la composizione e altre caratteristiche degli intermedi, chetoni e idroperossidi organici, il gruppo ha potuto osservare il processo di promozione della reazione dovuto alla lega del catalizzatore.
Sviluppo futuro
Le conoscenze acquisite da questa ricerca potrebbero contribuire alla progettazione di linee guida per nuovi catalizzatori ad alte prestazioni. Il metodo per sintetizzare le nanoparticelle di lega sviluppato in questa ricerca può essere utilizzato in generale e applicato ad altri metalli. Per questa ragione, questa potrebbe essere la tecnologia che svela la reattività di altre nanoparticelle di leghe microscopiche. Sono necessari ulteriori studi sull'aumento dell'attività catalitica all'interfaccia del rame e di altri metalli nobili nelle trasformazioni ossidanti di altri composti organici, non solo l'ossidazione degli idrocarburi. L'applicazione è prevista per i materiali ad alte prestazioni di prossima generazione in campi diversi come l'ottica, elettronica, ed energia.
