Per convertire gli idrocarburi in combustibile, l'industria petrolchimica attualmente si basa principalmente su catalizzatori eterogenei, che nella maggior parte dei casi contengono siti metallici attivi con strutture poco definite. Negli ultimi anni, però, un'area di studio nota come chimica organometallica di superficie (SOMC) ha consentito la progettazione e lo sviluppo di strumenti molto più definiti, i cosiddetti catalizzatori a sito singolo, in cui i cantieri metallici possono essere personalizzati per soddisfare requisiti specifici.

Christophe Copéret, professore all'ETH di Zurigo, ha studiato il potenziale del SOMC per la sintesi di combustibili e vettori energetici in modi finora irraggiungibili utilizzando le tecniche tradizionali. In un recente articolo pubblicato su Energia della natura , scrive che SOMC potrebbe aprire nuove rotte per la conversione degli idrocarburi, nonché come può contribuire alla scoperta di importanti processi di omologazione degli alcani e alla comprensione di catalizzatori eterogenei.

"Sono interessato a comprendere sistemi complessi come catalizzatori eterogenei a livello molecolare, " Copéret ha detto a TechXplore. "Verso questo obiettivo, il nostro laboratorio ha sviluppato competenze per generare specie superficiali ben definite in cui i siti metallici sono ancorati alle superfici come primo passo tramite innesto".

Per creare catalizzatori con strutture superficiali ben definite, i ricercatori devono controllare la densità e la natura delle funzionalità di superficie utilizzate per ancorare precursori molecolari su misura. Nelle loro ricerche passate, Copéret e i suoi colleghi hanno dimostrato che i risultanti siti di superficie ben definiti, detti anche siti singoli, può superare catalizzatori eterogenei sia omogenei che classici.

Questi catalizzatori hanno prestazioni di gran lunga migliori rispetto ai corrispondenti catalizzatori di metatesi di ossido di metallo supportati utilizzati da anni nell'industria petrolchimica. Un problema con quest'ultimo tipo di catalizzatori è la mancanza di comprensione delle strutture del sito attive che impedisce strategie di sviluppo razionali.

"Negli ultimi anni, siamo stati interessati a comprendere i siti attivi di questi ossidi metallici supportati utilizzati nell'industria esplorando metodi per generare analoghi di superficie ben definiti tramite la nostra metodologia SOMC, vale a dire attraverso l'ancoraggio di precursori molecolari sulle superfici e la generazione di siti metallici isolati rimuovendo i ligandi organici rimanenti tramite semplici post-trattamenti, " Ha spiegato Copéret. "Il nostro obiettivo era generare questi analoghi ben definiti per effettuare studi spettroscopici dettagliati con l'obiettivo finale di derivare relazioni struttura-attività a livello molecolare e principi guida per sviluppare questi catalizzatori eterogenei".

Essenzialmente, SOMC funziona controllando l'incorporazione di siti metallici attraverso approcci di innesto, consentendo infine la generazione di siti di superficie ben definiti. Questo approccio molecolare consente di costruire catalizzatori con siti attivi strutturalmente caratterizzati, in netto contrasto con i catalizzatori industriali, che sono molto più complesse a causa dei loro metodi di preparazione in acqua, ad esempio, per precipitazione o impregnazione di un sale metallico.

Le tecniche convenzionali per la fabbricazione di catalizzatori tendono a produrre miscele complesse e sistemi mal definiti a causa dell'intricata interazione tra i sali metallici, l'acqua e il supporto che comporta molteplici eventi di dissoluzione/precipitazione. D'altra parte, i catalizzatori risultanti dai processi SOMC tendono ad essere meglio definiti, consentendo ai ricercatori di accedere alle informazioni strutturali sui loro siti metallici.

"La chimica dell'acqua e degli ossidi è molto più complicata di quanto si possa pensare, " Copéret ha detto. "Utilizzando il nostro approccio, semplifichiamo solo la chimica."

Nel suo recente articolo, Copéret riassume le risorse chiave di SOMC, evidenziando il suo potenziale per alimentare l'innovazione nella catalisi e nell'industria petrolchimica. Sebbene ci siano ancora diverse sfide da superare, crede che SOMC potrebbe eventualmente aiutare ad aumentare la comprensione degli eventi catalitici a livello molecolare.

"I catalizzatori preparati da SOMC forniscono un modello molto carino, dove la spettroscopia fornisce informazioni rilevanti sulle specie attive, poiché la maggior parte dei siti di superficie sono di natura simile per progettazione, " Ha spiegato Copéret. "Permette anche di accedere alla firma delle specie attive e di proporre informazioni strutturali sui siti attivi nei corrispondenti catalizzatori industriali".

Finora, Copéret e i suoi collaboratori all'ETH di Zurigo hanno utilizzato con successo SOMC per comprendere i siti attivi di catalizzatori eterogenei per la metatesi e la polimerizzazione delle olefine, così come per la deidrogenazione del propano. La comprensione molecolare derivata da questi modelli potrebbe in definitiva fungere da principio guida per preparare catalizzatori eterogenei in un modo più razionale ed è già stata utilizzata per sviluppare processi di metatesi a bassa temperatura.

I ricercatori stanno ora effettuando ulteriori studi in cui intendono utilizzare i singoli siti sviluppati utilizzando SOMC per controllare interfacce e composizione di sistemi molto più complessi, come le nanoparticelle supportate, una classe ancora più ampia di catalizzatori eterogenei. In questi sistemi, il metallo(i), il supporto, e promotori svolgono ruoli importanti, eppure sono spesso poco compresi a livello molecolare, il che rende i catalizzatori basati su nanoparticelle supportate particolarmente difficili da sviluppare in modo razionale.

"Come riassunto in un articolo che abbiamo scritto all'inizio di quest'anno e pubblicato su secondo chimica. Ris . rivista, stiamo usando SOMC e i singoli siti derivati ​​per preparare queste nanoparticelle supportate con l'obiettivo di comprendere gli effetti di supporto e promotore e derivare un principio guida basato su molecole, " Ha detto Copéret. "Stiamo utilizzando questi sistemi anche per scoprire nuove reazioni progettando interfacce complesse verso la progettazione di processi in tandem".

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