Um catalisador de ouro acaba de quebrar um recorde de química verde de uma década
O acetaldeído é um componente químico essencial que desempenha um papel importante na fabricação moderna. É comumente produzido usando o processo de oxidação Wacker à base de etileno, um método que é caro e apresenta desvantagens ambientais significativas. A conversão do bioetanol em acetaldeído através da oxidação seletiva oferece uma alternativa mais sustentável, mas a maioria dos catalisadores existentes enfrenta um problema familiar. Quando a atividade aumenta, a seletividade geralmente cai, deixando os rendimentos de acetaldeído abaixo de 90%.
Há mais de dez anos, os pesquisadores Liu e Hensen demonstraram um avanço importante usando um Au/MgCuCr2Ó4 catalisador. Seu trabalho revelou um Au específico0-Cu+ interação que forneceu rendimentos de acetaldeído superiores a 95% a 250°C, enquanto permaneceu estável por mais de 500 horas (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032; J. Catal. 2015, 331, 138; J. Catal. 2017, 347, 45). Apesar deste marco, o desenvolvimento de catalisadores mais seguros e não tóxicos que possam atingir um desempenho semelhante a temperaturas mais baixas continua a ser um desafio não resolvido.
Novos catalisadores de perovskita de ouro impulsionam ainda mais o desempenho
O progresso recente de uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Peng Liu (Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong) e pelo Prof. Emiel JM Hensen (Universidade de Tecnologia de Eindhoven) marca um avanço significativo. A equipe projetou uma série de Au/LaMnCuO3 catalisadores com diferentes proporções de manganês para cobre. Entre eles, Au/LaMn0,75Cu0,25Ó3 destacou-se por sua forte interação cooperativa entre nanopartículas de ouro e um LaMnO moderadamente dopado com cobre3 estrutura perovskita.
Esta sinergia cuidadosamente ajustada permitiu que a oxidação do etanol ocorresse de forma eficiente em temperaturas abaixo de 250oC. O novo catalisador superou o antigo Au/MgCuCr2Ó4 benchmark, e os resultados foram relatados no Chinese Journal of Catalysis.
Otimizando o projeto do catalisador para maior rendimento e estabilidade
Para melhorar a eficiência da conversão de bioetanol em acetaldeído – um produto químico valioso usado em plásticos e produtos farmacêuticos, os pesquisadores se concentraram em suportes catalíticos à base de perovskita. Esses materiais foram produzidos por meio de um processo de combustão sol-gel e posteriormente revestidos com nanopartículas de ouro. Ao ajustar o teor de manganês e cobre, a equipe identificou uma formulação ideal (Au/LaMn0,75Cu0,25Ó3) que alcançou um rendimento de 95% de acetaldeído a 225°C e permaneceu estável por 80 horas.
Catalisadores com níveis mais elevados de cobre tiveram pior desempenho, principalmente porque o cobre tende a perder seu estado químico ativo durante a reação. O forte desempenho do catalisador otimizado foi atribuído a uma interação cooperativa entre íons de ouro, manganês e cobre.
Como ouro, cobre e manganês funcionam juntos
Para explicar por que o novo catalisador funciona tão bem, os pesquisadores realizaram estudos computacionais detalhados usando a teoria do funcional da densidade e modelagem microcinética. Essas simulações mostraram que a introdução de cobre na estrutura da perovskita cria locais altamente ativos próximos às partículas de ouro. Esses locais facilitam a reação das moléculas de oxigênio e etanol.
O catalisador otimizado também reduz a barreira energética para as principais etapas da reação, permitindo que o processo prossiga com mais eficiência. Juntos, os dados experimentais e a modelagem teórica enfatizam a importância do ajuste preciso da composição do catalisador para alcançar maior eficiência e melhor estabilidade.
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