Catalizador a base de nanomateriales
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Los catalizadores basados ​​en nanomateriales suelen ser catalizadores heterogéneos divididos en nanopartículas metálicas para mejorar el proceso catalítico. Las nanopartículas metálicas tienen una gran superficie , lo que puede aumentar la actividad catalítica. Los catalizadores de nanopartículas se pueden separar y reciclar fácilmente. [1] [2] [3] Por lo general, se utilizan en condiciones suaves para evitar la descomposición de las nanopartículas. [4]

Nanopartículas funcionalizadas

Las nanopartículas metálicas funcionalizadas son más estables frente a los disolventes en comparación con las nanopartículas metálicas no funcionalizadas. [5] [6] En los líquidos, las nanopartículas metálicas pueden verse afectadas por la fuerza de van der Waals . La agregación de partículas a veces puede disminuir la actividad catalítica al disminuir el área superficial. [7] Las nanopartículas también se pueden funcionalizar con polímeros u oligómeros para estabilizar estéricamente las nanopartículas proporcionando una capa protectora que evita que las nanopartículas interactúen entre sí. [8] Las aleaciones de dos metales, llamadas nanopartículas bimetálicas, se utilizan para crear efectos sinérgicosefectos sobre la catálisis entre los dos metales. [9]

Aplicaciones potenciales

Deshalogenación e hidrogenación

Los catalizadores de nanopartículas son activos para la hidrogenólisis de enlaces C-Cl como los bifenilos policlorados . [5] [6] Otra reacción es la hidrogenación de aminas aromáticas halogenadas que también es importante para la síntesis de herbicidas y pesticidas , así como del combustible diesel . [5] En química orgánica , la hidrogenación de un enlace C-Cl con deuterio se utiliza para marcar selectivamente el anillo aromático para su uso en experimentos relacionados con el efecto isotópico cinético . Buil y col. creado complejos de rodio que generaron nanopartículas de rodio. Estas nanopartículas catalizaron la deshalogenación de compuestos aromáticos, así como la hidrogenación de benceno a ciclohexano . [6] Las nanopartículas estabilizadas con polímeros también se pueden usar para la hidrogenación de cinamaldehído y citronelal . [5] [7] [10] [9] Yu y col. encontró que los nanocatalizadores de rutenio son más selectivos en la hidrogenación de citronelal en comparación con los catalizadores tradicionales utilizados. [9]

Reacciones de hidrosililación

Reacción de hidrosililación

La reducción de complejos organometálicos de oro , cobalto , níquel , paladio o platino con silanos produce nanopartículas metálicas que catalizan la reacción de hidrosililación. [11] Se han utilizado nanopartículas de paladio funcionalizadas con BINAP y nanopartículas de oro para la hidrosililación de estireno en condiciones suaves; se encontró que eran más catalíticamente activos y más estables que los complejos Pd-BINAP sin nanopartículas. [11] [12] La reacción también puede ser catalizada por una nanopartícula que consta de dos metales. [5] [13]

Reacciones redox orgánicas

Reacción de oxidación del ciclohexano para sintetizar ácido adiapico.

En la figura 3 se muestra una reacción de oxidación para formar ácido adípico y puede ser catalizada por nanopartículas de cobalto. [5] Esto se utiliza a escala industrial para producir el polímero de nailon 6,6 . Otros ejemplos de reacciones de oxidación que son catalizadas por nanopartículas metálicas incluyen la oxidación del ciclooctano , la oxidación del eteno y la oxidación de la glucosa . [5]

Reacciones de acoplamiento CC

Heck reacción de acoplamiento

Las nanopartículas metálicas pueden catalizar reacciones de acoplamiento C – C como la hidroformilación de olefinas , [5] la síntesis de vitamina E y las reacciones de acoplamiento de Heck y de Suzuki . [5]

Se descubrió que las nanopartículas de paladio catalizan eficazmente las reacciones de acoplamiento de Heck. Se encontró que el aumento de la electronegatividad de los ligandos en las nanopartículas de paladio aumentaba su actividad catalítica. [5] [14]

El compuesto Pd 2 (dba) 3 es una fuente de Pd (0), que es la fuente catalíticamente activa de paladio que se utiliza para muchas reacciones, incluidas las reacciones de acoplamiento cruzado . [4] Se pensaba que el Pd2 (dba) 3 era un precursor catalítico homogéneo , pero artículos recientes sugieren que se forman nanopartículas de paladio, lo que lo convierte en un precursor catalítico heterogéneo. [4]

Combustibles alternativos

Las nanopartículas de óxido de hierro y cobalto se pueden cargar en varios materiales tensioactivos como la alúmina para convertir gases como el monóxido de carbono y el hidrógeno en combustibles de hidrocarburos líquidos mediante el proceso Fischer-Tropsch . [15] [16]

Gran parte de la investigación sobre catalizadores basados ​​en nanomateriales tiene que ver con maximizar la eficacia del revestimiento del catalizador en las pilas de combustible. El platino es actualmente el catalizador más común para esta aplicación, sin embargo, es caro y raro, por lo que se han realizado muchas investigaciones para maximizar las propiedades catalíticas de otros metales reduciéndolos a nanopartículas con la esperanza de que algún día sean eficaces. y alternativa económica al platino. Las nanopartículas de oro también exhiben propiedades catalíticas , a pesar de que el oro a granel no es reactivo.

Se encontró que las nanopartículas de circonio estabilizado con itrio aumentan la eficiencia y confiabilidad de una celda de combustible de óxido sólido . [17] [18] Los catalizadores de nanomaterial rutenio / platino podrían potencialmente usarse para catalizar la purificación de hidrógeno para el almacenamiento de hidrógeno . [19] Las nanopartículas de paladio se pueden funcionalizar con ligandos organometálicos para catalizar la oxidación de CO y NO para controlar la contaminación del aire en el medio ambiente . [17] Los catalizadores soportados por nanotubos de carbono se pueden utilizar como soporte catalítico de cátodo para pilas de combustible y se han utilizado nanopartículas metálicas para catalizar el crecimiento denanotubos de carbono . [17] Las nanopartículas bimetálicas de platino-cobalto combinadas con nanotubos de carbono son candidatos prometedores para las celdas de combustible de metanol directo, ya que producen un electrodo de corriente más estable . [17]

Medicamento

En química magnética , las nanopartículas se pueden utilizar como soporte de catalizador para uso medicinal.

Nanozimas

Además de la catálisis convencional, se han explorado los nanomateriales para imitar las enzimas naturales. Los nanomateriales con actividades de imitación de enzimas se denominan nanozimas . [20] Se han utilizado muchos nanomateriales para imitar variedades de enzimas naturales, como oxidasa, peroxidasa, catalasa, SOD, nucleasa, etc. Las nanozimas han encontrado amplias aplicaciones en muchas áreas, desde biosensores y bioimágenes hasta terapéutica y tratamiento de agua.

Nanoestructuras para electrocatálisis

Los nanocatalizadores son de gran interés en las celdas de combustible y los electrolizadores, donde el catalizador afecta fuertemente la eficiencia.

Superficies nanoporosas

Artículo principal: Materiales nanoporosos

En las pilas de combustible, los materiales nanoporosos se utilizan ampliamente para fabricar cátodos. Las nanopartículas porosas de platino tienen buena actividad en nanocatálisis pero son menos estables y su vida útil es corta. [21]

Nanopartículas

Artículo principal: nanopartícula

Un inconveniente del uso de nanopartículas es su tendencia a aglomerarse. El problema se puede mitigar con el soporte de catalizador correcto . Las nanopartículas son estructuras óptimas para usar como nanosensores porque se pueden ajustar para detectar moléculas específicas. Los ejemplos de nanopartículas de Pd electrodepositadas sobre nanotubos de carbono de paredes múltiples han mostrado una buena actividad hacia la catálisis de reacciones de acoplamiento cruzado. [22]

Nanocables

Artículo principal: Nanowire

Los nanocables son muy interesantes para fines electrocatalíticos porque son más fáciles de producir y el control de sus características en el proceso de producción es bastante preciso. Además, los nanocables pueden aumentar la eficiencia faradaica debido a su extensión espacial y, por lo tanto, a una mayor disponibilidad de reactivos en la superficie activa. [23]

Materiales

Las nanoestructuras implicadas en los procesos de electrocatálisis pueden estar formadas por diferentes materiales. Mediante el uso de materiales nanoestructurados, los electrocatalizadores pueden lograr una buena estabilidad físico-química, alta actividad, buena conductividad y bajo costo. Los nanomateriales metálicos se componen comúnmente de metales de transición (principalmente hierro, cobalto, níquel, paladio, platino). Los nanomateriales multimetal muestran nuevas propiedades debido a las características de cada metal. Las ventajas son el aumento de actividad, selectividad y estabilidad y la reducción de costes. Los metales se pueden combinar de diferentes formas, como en la estructura bimetálica núcleo-caparazón: el metal más barato forma el núcleo y el más activo (típicamente un metal noble) constituye la capa. Al adoptar este diseño, el uso de metales raros y costosos se puede reducir hasta un 20%.[24]

Uno de los retos del futuro es encontrar nuevos materiales estables, con buena actividad y sobre todo de bajo coste. Los vidrios metálicos , el nitruro de carbono polimérico (PCN) y los materiales derivados de estructuras organometálicas (MOF) son solo algunos ejemplos de materiales con propiedades electrocatalíticas en las que se está invirtiendo actualmente la investigación. [25] [26] [27]

Fotocatálisis

Muchos de los sistemas fotocatalíticos pueden beneficiarse del acoplamiento con un metal noble; la primera celda Fujishima-Honda también hizo uso de una placa de cocatalizador. Por ejemplo, el diseño esencial de un reactor fotocatalítico disperso para la división del agua es el de un sol de agua en el que la fase dispersa está formada por puntos cuánticos semiconductores cada uno acoplado a un cocatalizador metálico: el QD convierte la radiación electromagnética entrante en un excitón mientras que el cocatalizador actúa como un captador de electrones y reduce el sobrepotencial de la reacción electroquímica. [28]

Caracterización de nanopartículas

Algunas técnicas que pueden usarse para caracterizar catalizadores de nanomateriales funcionalizados incluyen espectroscopía de fotoelectrones de rayos X , microscopía electrónica de transmisión , espectroscopía de dicroísmo circular , espectroscopía de resonancia magnética nuclear , espectroscopía UV-visible y experimentos relacionados.

Ver también

  • Nanomateriales
  • Nanotecnología
  • Metal de transición
  • Punto cuántico
  • Nanopartículas de platino
  • Gemelos icosaédricos
  • Nanozimas

Referencias

  1. ^ Bahrami, Foroogh; Panahi, Farhad; Daneshgar, Fatima; Yousefi, Reza; Shahsavani, Mohammad Bagher; Khalafi-nezhad, Ali (2016). "Síntesis de nuevos derivados de α-aminofosfonato que incorporan nucleobases de bencimidazol, teofilina y adenina utilizando nanopartículas magnéticas funcionalizadas con l-cisteína (LCMNP) como catalizador magnético reutilizable: evaluación de sus propiedades anticancerígenas". Avances RSC . 6 (7): 5915–5924. doi : 10.1039 / C5RA21419J .
  2. ^ Fukui, Takehisa; Murata, Kenji; Ohara, Satoshi; Abe, Hiroya; Naito, Makio; Nogi, Kiyoshi (2004). "Control de morfología del ánodo de cermet Ni-YSZ para funcionamiento a baja temperatura de SOFCs". Revista de fuentes de energía . 125 (1): 17-21. Código Bibliográfico : 2004JPS ... 125 ... 17F . doi : 10.1016 / S0378-7753 (03) 00817-6 .
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Otras lecturas

  • Santen, la furgoneta de Rutger Anthony; Neurock, Matthew (2006). Catálisis heterogénea molecular: un enfoque conceptual y computacional ([Online-Ausg.] Ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29662-0.
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