I catalizzatori sono materiali chiave nella società moderna, consentendo la conversione selettiva delle materie prime in prodotti di valore riducendo gli sprechi e risparmiando energia. In caso di reazioni di deidrogenazione ossidativa di rilevanza industriale, I sistemi catalitici più noti sono basati su metalli di transizione come ferro, vanadio, molibdeno o argento. A causa degli inconvenienti intrinseci associati all'uso dei metalli di transizione, come un evento raro, processi minerari dannosi per l'ambiente, e tossicità, il fatto che il carbonio puro mostri attività catalitica in questo tipo di reazione e quindi abbia un alto potenziale come materiale di sostituzione sostenibile è di grande interesse.

Ad oggi, lo sviluppo di catalizzatori a base di carbonio per reazioni di deidrogenazione ossidativa può essere suddiviso in due generazioni. La prima generazione di catalizzatori al carbonio è stata ispirata dalla scoperta dell'attività catalitica dei depositi di coke su catalizzatori a base metallica per la deidrogenazione ossidativa. Successivamente, sono stati studiati principalmente materiali di carbonio amorfo come carbone attivo o nerofumo. Sebbene questi primi catalizzatori mostrassero attività e selettività significative, soffrivano di un'insufficiente stabilità all'ossidazione e sono stati successivamente sostituiti dalla seconda generazione di catalizzatori di deidrogenazione a base di carbonio rappresentati da nanomateriali di carbonio, per esempio. nanotubi di carbonio. Il vantaggio dei nanocarburi rispetto ai catalizzatori amorfi di prima generazione deriva principalmente dalla loro microstruttura cristallina, che da un lato è responsabile di un'adeguata resistenza all'ossidazione e dall'altro consente elevate attività redox. Poiché i nanocarburi mancano di porosità interna, questi siti attivi si trovano sulla superficie esterna, rendendoli facilmente accessibili ai reagenti. Però, i nanocarboni mostrano svantaggi durante la manipolazione come polvere e letti fissi o rischi per la salute poco chiari e quindi sono ancora in attesa di applicazione industriale come materiale catalitico.

Considerando l'alto potenziale dei catalizzatori di carbonio nelle reazioni di deidrogenazione ossidativa, il gruppo di ricerca del professor Bastian J. M. Etzold sta lavorando da diversi anni alla sintesi di nuove classi di carbonio con l'obiettivo di trasferire le eccellenti proprietà catalitiche dei nanocarboni a quelli convenzionali, materiali in carbonio facili da maneggiare. Già nel 2015, è stato dimostrato che i carboni derivati ​​dal carburo possono in linea di principio essere utilizzati per ottenere proprietà catalitiche simili ai nanomateriali di carbonio. Però, poiché i carboni derivati ​​dal carburo sono solo materiali modello per scopi di ricerca a causa della loro complessa sintesi, l'obiettivo fondamentale della ricerca di sviluppare un percorso sintetico scalabile e riproducibile per catalizzatori di carbonio tecnicamente utili è rimasto. In collaborazione con il Professor Wei Qi del Laboratorio Nazionale di Scienza dei Materiali di Shenyang a Shenyang, Repubblica popolare cinese, così come il professor Jan Philipp Hofmann del Surface Science Laboratory della TU Darmstadt, Felice Herold, un dottorato di ricerca studente del gruppo Etzold, è ora riuscita a sintetizzare una nuova generazione di catalizzatori al carbonio che è superiore ai nanocarburi sotto molti aspetti.

La sintesi dei nuovi catalizzatori a base di carbonio si basa su precursori polimerici di carbonio che possono essere prodotti mediante una via sintetica riproducibile e facilmente scalabile, fornendo al contempo un eccellente controllo della morfologia del carbonio successivo. Utilizzando la grafitizzazione catalitica, è stato dimostrato che durante la pirolisi del precursore del polimero, cristalliti di grafite su scala nanometrica potrebbero essere coltivati ​​all'interno della matrice di carbonio. Fondamentale in questo contesto sembra essere la presenza di grandi domini coniugati (grafitici) caratterizzati da un'alta densità di siti difettosi, dove gruppi di superficie dell'ossigeno, come i gruppi carbonilici chetonici, si creano durante la reazione. L'attività di questi gruppi di superficie sembra essere aumentata attraverso i vicini domini coniugati (grafitici), che può fungere da deposito di elettroni. La grafitizzazione catalitica produce un materiale ibrido amorfo/grafitico costituito dai cristalliti di grafite precedentemente cresciuti circondati da una matrice di carbonio amorfo. Per ottenere un catalizzatore di deidrogenazione attivo, la matrice carboniosa amorfa viene rimossa mediante ossidazione selettiva, aprendo la struttura dei pori del materiale di carbonio e fornendo accessibilità ai domini di grafite cataliticamente attivi.

La deidrogenazione ossidativa dell'etanolo è stata scelta come reazione di prova di grande interesse pratico poiché fornisce un legame catalitico tra bioetanolo, che può essere facilmente ottenuto da risorse rinnovabili, e acetaldeide, un importante intermedio nell'attuale chimica industriale. Rispetto a un catalizzatore di nanotubi di carbonio di riferimento, Con la nuova classe di materiali in carbonio si potrebbero ottenere rese spazio-temporali fino a 10 volte superiori.

I nuovi catalizzatori di carbonio presentati in questo lavoro sono di grande importanza, mentre aprono le porte a una nuova classe di materiali, il cui potenziale è ancora da valutare a causa delle molteplici possibilità di ottimizzazione del percorso sintetico flessibile. Oltre all'uso della nuova classe di catalizzatori a base di carbonio nella deidrogenazione ossidativa di altri substrati rilevanti, come alcani e altri alcoli, si prevede inoltre che il campo di applicazione venga esteso all'elettrocatalisi e alla fotocatalisi.