Recentemente, i catalizzatori a base di carbonio, in particolare i nanocarburi drogati con azoto, sono emersi come alternative sostenibili e affidabili ai catalizzatori metallici tradizionalmente utilizzati per supportare le reazioni chimiche.
I ricercatori del Key Laboratory of Advanced Carbon-Based Functional Materials (Università della provincia del Fujian) presso l'Università di Fuzhou hanno sintetizzato nanocarburi da molecole di guanina per comprendere meglio il ruolo preciso che l'azoto svolge nei materiali a base di carbonio ed esplorare i meccanismi di reazione di questi sistemi catalitici.
In uno studio pubblicato di recente, il gruppo di ricerca ha chiarito come diversi tipi di azoto possono modulare l'attività di deidrogenazione ossidativa, un processo critico coinvolto nella conversione di composti inerti in nanocarbonio reattivo.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Carbon Future il 4 febbraio.
"Lo studio offre una guida teorica per la creazione di catalizzatori di carbonio altamente efficaci, che potrebbero promuovere le energie pulite convertite da risorse rinnovabili in settori come la plastica, la medicina e la gomma", ha affermato l'autore dello studio Zailai Xie dell'Università di Fuzhou.
Il drogaggio di materiali di carbonio con eteroatomi come l'azoto può modificare le proprietà del carbonio. Questa pratica ha suscitato un notevole interesse, spingendo i ricercatori a indagare sui possibili benefici. Il doping con azoto, in particolare, ha dimostrato di essere una strategia altamente efficace nella creazione di materiali avanzati per la cattura del biossido di carbonio, la conversione dell'energia, lo stoccaggio dell'energia e altre applicazioni.
Nonostante i passi avanti compiuti nel campo del doping con azoto, ci sono ancora alcune domande chiave che rimangono senza risposta. Ad esempio, le prestazioni dei materiali in nanocarbonio sono significativamente influenzate dai gruppi funzionali degli atomi sulla superficie, ma, finora, i materiali in nanocarbonio mostrano gruppi funzionali superficiali incontrollabili, il che complica l'identificazione dei siti attivi per diversi tipi di reazioni.
"Questo comportamento ostacola la nostra comprensione del ruolo intrinseco svolto dai droganti azotati nel migliorare l'attività catalitica e nel determinare il meccanismo catalitico", ha affermato Xie.
Secondo Xie, per far avanzare ulteriormente il campo della catalisi dei nanocarburi drogati con azoto, i ricercatori hanno bisogno di catalizzatori più controllati e meglio caratterizzati. Ciò consentirebbe ai ricercatori di isolare gli effetti di specifiche specie di azoto sulle prestazioni catalitiche.
Nel perseguimento di questo obiettivo, il gruppo di ricerca dell'Università di Fuzhou ha sviluppato un metodo per controllare con precisione i gruppi funzionali superficiali, principalmente gruppi di ossigeno e azoto, durante la generazione di catalizzatori di nanocarbonio.
Il team ha ottenuto una serie di nanocarburi attraverso molecole di guanina autoassemblanti – un composto presente nel guano o nelle squame di pesce – ed ha esposto il materiale risultante al calore senza ossigeno. Traendo ispirazione dall'autoassemblaggio supramolecolare di componenti biologici come la guanina e le relative basi azotate come la guanosina, questo approccio sintetico offre un mezzo interessante per generare nanomateriali ordinati.
Queste molecole possiedono siti di legame multiplex impilati π, legati a H e altri che facilitano la formazione di complessi supramolecolari funzionali. La guanina, essendo ampiamente presente nelle strutture fotoniche biogeniche di vari organismi viventi, presenta diverse forme e dimensioni, tra cui piastre esagonali, piastre quadrate, poligoni irregolari e prismi.
Le sottili variazioni nella morfologia dei cristalli di guanina contribuiscono ai colorati fenomeni ottici osservati negli animali, come le squame dei pesci, i corpi dei ragni e gli occhi degli animali. Tuttavia, il controllo preciso della morfologia dei cristalli di guanina biogenica negli organismi rimane poco compreso.
Nonostante le notevoli proprietà dei cristalli di guanina, la produzione artificiale di cristalli di guanina regolari che imitano da vicino le condizioni biologiche e la loro successiva trasformazione in materiali di carbonio funzionali non è stata ancora raggiunta nell'approccio di sintesi chimica.
"I carboni sintetizzati hanno mostrato proprietà uniche e intriganti, inclusi gruppi di ossigeno superficiali relativamente stabili e un elevato contenuto di azoto", ha affermato Xie.
Inoltre, la presenza di molteplici legami idrogeno nella guanina ha consentito la formazione di un nanofoglio bidimensionale con tipi controllabili di droganti azotati. Il contenuto di azoto può essere regolato con precisione dal 5% al 30% circa, mentre il contenuto di ossigeno può essere mantenuto a un livello costante del 4%.
"Questa proprietà unica rende la guanina un precursore proof-of-concept ideale per catalizzatori modello di costruzione che può portare a una comprensione approfondita del ruolo dei droganti ad alto contenuto di azoto nella catalisi del nanocarbonio", ha affermato Xie.
Per sondare ulteriormente le relazioni struttura-funzione, il team ha testato reazioni di deidrogenazione e idrogenazione, in cui le molecole di idrogeno vengono rimosse o aggiunte a una molecola più grande. I test hanno dimostrato che diversi tipi di azoto nei nanocarburi, vale a dire l'azoto grafitico e l'azoto piridinico, fungono rispettivamente da modulatori donatori ed attrattori di elettroni, che possono personalizzare l'attività di deidrogenazione ossidativa dei nanocarburi.
"Essendo un catalizzatore efficiente e privo di metalli, abbiamo svelato per la prima volta il ruolo dei droganti azotati sia nella deidrogenazione che nell'idrogenazione", ha affermato Xie. "Crediamo che i nostri risultati forniscano preziose informazioni sui meccanismi di reazione fisico-chimica dei sistemi catalitici al carbonio drogato con azoto e offrano una guida teorica per la sintesi di catalizzatori di carbonio altamente efficaci."
Ulteriori informazioni: Xuefei Zhang et al, Identificazione del ruolo dei droganti azotati nella catalisi del nanocarbonio, Carbon Future (2024). DOI:10.26599/CF.2024.9200008
Fornito dalla Tsinghua University Press
