Los catalizadores heterogéneos aceleran las reacciones químicas al estar en un estado diferente al de los reactivos. Son eficientes y estables incluso en condiciones difíciles como altas temperaturas o presiones. Tradicionalmente, metales como el hierro, el platino y el paladio se han utilizado ampliamente en industrias como la petroquímica y la agricultura para reacciones importantes como la hidrogenación y el proceso de Haber. Sin embargo, estos metales son raros y pueden resultar problemáticos ya que se forman a partir de coque. Los científicos exploran cada vez más materiales comunes como catalizadores para aplicaciones industriales más sostenibles y rentables.

A mediados de la década de 2000, la introducción del concepto del par de Lewis frustrado (FLP) marcó un gran avance en la catálisis, particularmente en la activación de moléculas pequeñas. Un FLP está compuesto por una combinación de dos componentes (uno que actúa como ácido de Lewis y el otro como base de Lewis) que no pueden reaccionar completamente entre sí debido a barreras espaciales o electrónicas. Esta “frustración” los sitúa en un estado altamente reactivo, lo que les permite activar moléculas estables como el hidrógeno, el dióxido de carbono o el amoníaco, que suelen ser bastante difíciles de separar. Los FLP se diferencian porque tienen múltiples sitios activos, lo que los hace más reactivos y selectivos que los catalizadores tradicionales, que normalmente tienen un solo sitio activo. Hay dos tipos principales de FLP: FLP heterogéneo controlado por defectos y FLP homogéneo de base molecular. El primer tipo controla el número de sitios activos a través de defectos superficiales; Ajustar su capacidad de respuesta y controlar su estabilidad puede resultar tedioso. El segundo tipo involucra moléculas pequeñas en las que existen pares ácido-base dentro de la misma estructura molecular, lo que facilita ajustar su reactividad simplemente cambiando los elementos circundantes.

Un estudio reciente ha abierto nuevos caminos al adaptar FLP de base molecular para su uso en sistemas de estado sólido. Los investigadores lograron esto aprovechando la versatilidad química de los polímeros precerámicos mediante el proceso cerámico derivado de polímeros (PDC). Este esfuerzo de colaboración reunió a expertos de todo el mundo, entre ellos el Prof. Yuji Iwamoto y el Dr. Shotaro Tada del Instituto de Tecnología de Nagoya en Japón; Dr. de la Universidad de Limoges en Francia. Samuel Barnard; y el profesor Ravi Kumar del Instituto Indio de Tecnología de Madrás (India). Sus resultados estuvieron disponibles en línea el 9 de agosto de 2024, se anunciaron como un “artículo de actualidad” el 2 de octubre de 2024 y se publicaron en el volumen 46 de la revista. Edición Internacional de Química Aplicada El 11 de noviembre de 2024.

El investigador principal, el profesor Yuji Iwamoto, explica: “Utilizamos un polímero organosilícico que contiene nitrógeno, conocido como polisilageno, para convertirlo en bases de Lewis, así como un precursor de la matriz de nitruro de silicio amorfo (a-SiN). En el proceso termoquímico, Fabricamos específicamente andamios de a-SiN con tamaños de poro controlados que sirven como campos de reacción nanoconfinados”.

En este estudio, el equipo de investigación modificó químicamente el polisilaceno con boro (B), un ácido de Lewis naturalmente abundante y menos tóxico, y sodio (Na). Luego, el material modificado se expone a un flujo de amoníaco a 1000 °C, lo que da como resultado nitruro de boro y silicio amorfo dopado con sodio (SiBN dopado con Na).

Utilizando sofisticadas técnicas espectroscópicas, los investigadores descubrieron cómo el material SiBN dopado con sodio interactúa con el hidrógeno a nivel molecular. Descubrieron que la estructura única de este material aumenta la reactividad de los sitios de boro y nitrógeno cuando se exponen al hidrógeno. Específicamente, las moléculas de hidrógeno interactúan tanto con el sitio de boro como con el ion sodio, transformando el resto de boro-nitrógeno triplemente coordinado en una estructura más distorsionada y polar para formar una geometría cuádruple coordinada con moléculas más pequeñas, actuando como el frustrado Lewis. . sitio ácido (FLA). Cuando se introduce hidrógeno a una determinada temperatura, cambia el enlace nitrógeno-hidrógeno (NH), lo que da como resultado la formación de sitios de base de Lewis frustrados (FLB). Estos sitios formaron un patrón de interacción dinámica de FLP que permitió la adsorción y desorción reversible de hidrógeno, como lo confirman experimentos termodinámicos. La alta energía de activación para la liberación de hidrógeno sugiere fuertes interacciones, lo que convierte al material en un catalizador prometedor para reacciones eficientes y sostenibles basadas en hidrógeno.

Este material SiBN amorfo dopado con sodio recientemente desarrollado destaca por su excepcional estabilidad térmica, superando a otros FLP moleculares y convirtiéndolo en un candidato ideal para procesos catalíticos en condiciones difíciles. Además, su estructura flexible a base de cerámica ofrece un inmenso potencial para aplicaciones prácticas, particularmente en reacciones de hidrogenación, que son procesos esenciales en industrias como la energética y la química.

“Este enfoque promete avanzar en las interacciones de fase sólido-gas mediadas por grupos principales en catálisis heterogénea, proporcionando información valiosa y promete un impacto significativo en este dominio”, explica el profesor Iwamoto.

Los resultados pioneros de esta investigación resaltan el potencial de este material innovador para revolucionar la catálisis sostenible.

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