Los químicos gastan una gran cantidad de tiempo y energía tratando de hacer que las reacciones químicas comiencen o se aceleren, pero a veces puede ser tan importante detenerlas antes de que vayan demasiado lejos.
En un estudio reciente del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, los químicos han identificado una forma de convertir el ciclohexano en ciclohexeno o ciclohexadieno, químicos importantes en una amplia gama de procesos industriales. Es importante destacar que este proceso se lleva a cabo a bajo niveltemperaturas, eliminando la creación de dióxido de carbono que habría resultado de una ruptura no deseada de los enlaces carbono-carbono.
"El hecho de que podamos realizar esta conversión a temperaturas más bajas protege los productos de deshidrogenación intermedios ciclohexeno y ciclohexadieno para que no se conviertan en productos no deseados". - Stefan Vajda
El ciclohexano es una molécula de partida importante en una amplia gama de reacciones químicas, según el químico de Argonne Stefan Vajda, ahora en el Instituto J. Heyrovský de Química Física en Praga. Sin embargo, sin un catalizador adecuado para iniciar la reacción, convertir el ciclohexano enLos productos útiles generalmente requieren temperaturas elevadas generadas a través del gasto de una gran cantidad de energía, y el proceso también puede sufrir una baja selectividad.
En el estudio, el químico de Vajda y Argonne, Larry Curtiss, y su equipo internacional de colaboradores examinaron un tipo de reacción llamada deshidrogenación oxidativa, en la que las moléculas de hidrógeno se eliminan de una molécula más grande. Al cortar un número limitado de enlaces de hidrógeno-carbono, ella reacción puede producir ciclohexeno y ciclohexadieno antes de que tenga lugar la combustión a dióxido de carbono.
El trabajo mejoró en estudios previos realizados por el equipo de Argonne sobre la deshidrogenación de ciclohexano y ciclohexeno mediante la introducción de dos componentes clave: un catalizador de óxido de cobalto de tamaño sub nanométrico en un soporte de óxido de aluminio y un entorno controlado de oxígeno.
Los investigadores emplearon técnicas de dispersión de rayos X en Argonne's Advanced Photon Source APS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, para monitorear la naturaleza y la estabilidad de los catalizadores durante las pruebas catalíticas de los grupos en tiempo real. Descubrieron quelos grupos llevaron a cabo una deshidrogenación parcial del ciclohexano a temperaturas de alrededor de 100 grados centígrados, muy por debajo de lo observado previamente para este tipo de reacción, y los grupos conservaron su naturaleza oxidada y estabilidad a temperaturas de reacción de hasta 300 ° C.
"El hecho de que podamos hacer que esta conversión ocurra a temperaturas más bajas protege los productos de deshidrogenación intermedios ciclohexeno y ciclohexadieno para que no se conviertan en productos no deseados", dijo Vajda.
Vajda y Curtiss notaron que el catalizador altamente selectivo es de larga duración y no se envenena ni degrada por la reacción. En la investigación teórica y experimental del tamaño del catalizador, los investigadores encontraron que los grupos de tamaño cuatro y veintisietelos átomos fueron aproximadamente igualmente eficientes para llevar a cabo la reacción ". Parece que mientras el catalizador tenga un tamaño inferior a aproximadamente un nanómetro, esta composición funciona bien, un factor importante para el posible aumento de escala de esta clase de catalizadores por parte de agentes más tradicionales, aunque menos selectivo de tamaño, rutas de síntesis ", dijo Vajda.
Para comprender mejor los mecanismos básicos detrás de la actividad y la selectividad de los catalizadores de cobalto, los investigadores utilizaron cálculos de teoría funcional de densidad para modelar las vías de reacción. "El excelente rendimiento de los grupos de cobalto puede explicarse mediante cálculos teóricos, que revelan una gran actividadátomos de cobalto en los grupos y muestran que la naturaleza oxidada de los grupos causa la formación del producto a baja temperatura ", explicó Curtiss.
Un artículo basado en el estudio, "Los grupos de óxido de cobalto subnanométrico como catalizadores selectivos de deshidrogenación oxidativa a baja temperatura", se publicó en la edición en línea del 27 de febrero de Nature Communications.
Otros autores del artículo incluyeron a los científicos de Argonne Sungsik Lee, Avik Halder, Glen Ferguson, Sönke Seifert y Randall Winans. Otros contribuyentes incluyeron a Detre Teschner y Robert Schlögl del Fritz-Haber-Institut y el Max-Planck-Institute for ChemicalConversión de energía en Alemania, Vasiliki Papaefthimiou de la Universidad de Estrasburgo en Francia y Jeffrey Greeley de la Universidad de Purdue.
La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE y por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Jared Sagoff. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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