Los enlaces de fluorocarbono no son rival para el nuevo nanocatalizador de energía ligera

Una ilustración artística del catalizador de antena-reactor activado por luz Los ingenieros de la Universidad de Rice diseñaron para romper los enlaces carbono-flúor en los fluorocarbonos. La porción de aluminio de la partícula (blanca y rosa) captura energía de la luz (verde), activando islas de catalizadores de paladio (rojo). En el recuadro, las moléculas de fluorometano (arriba) compuestas de un átomo de carbono (negro), tres átomos de hidrógeno (gris) y un átomo de flúor (azul claro) reaccionan con las moléculas de deuterio (amarillo) cerca de la superficie del paladio (negro), escindiendo el carbono -un enlace de flúor para producir fluoruro de deuterio (derecha) y metano monodeuterado (abajo). Crédito: H. Robatjazi / Rice University

Lab presenta un catalizador que puede romper los problemáticos enlaces CF

Los ingenieros de la Universidad de Rice han creado un catalizador ligero que puede romper los fuertes enlaces químicos en los fluorocarbonos, un grupo de materiales sintéticos que incluye contaminantes ambientales persistentes.

En un estudio publicado este mes en Catálisis de la naturaleza, La pionera en nanofotónica de Rice, Naomi Halas, y colaboradores en la Universidad de California, Santa Bárbara (UCSB) y Universidad de Princeton mostró que pequeñas esferas de aluminio salpicadas de motas de paladio podrían romper los enlaces carbono-flúor (CF) a través de un proceso catalítico conocido como hidrodesfluoración en el que un flúor átomo es reemplazado por un átomo de hidrógeno.

Naomi Halas

Naomi Halas, de la Universidad de Rice, es ingeniera, química y pionera en el campo de los nanomateriales activados por la luz. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

La fuerza y ​​la estabilidad de los enlaces CF están detrás de algunas de las marcas químicas más reconocidas del siglo XX, como Teflon, Freon y Scotchgard. Pero la fuerza de esos enlaces puede ser problemática cuando los fluorocarbonos entran al aire, al suelo y al agua. Los clorofluorocarbonos, o CFC, por ejemplo, fueron prohibidos por un tratado internacional en la década de 1980 después de que se descubrió que estaban destruyendo la capa protectora de ozono de la Tierra, y otros fluorocarbonos estaban en la lista de “productos químicos para siempre” seleccionados por un tratado de 2001.

“La parte más difícil de remediar cualquiera de los compuestos que contienen flúor es romper el enlace CF; requiere mucha energía “, dijo Halas, un ingeniero y químico cuyo Laboratorio de Nanofotónica (LANP) se especializa en crear y estudiar nanopartículas que interactúan con la luz.

En los últimos cinco años, Halas y sus colegas han sido pioneros en métodos para fabricar catalizadores de “reactores de antena” que estimulan o aceleran las reacciones químicas. Si bien los catalizadores se usan ampliamente en la industria, generalmente se usan en procesos intensivos en energía que requieren alta temperatura, alta presión o ambos. Por ejemplo, se inserta una malla de material catalítico en un recipiente de alta presión en una planta química, y se quema gas natural u otro combustible fósil para calentar el gas o líquido que fluye a través de la malla. Los reactores de antena de LANP mejoran drásticamente la eficiencia energética al capturar energía luminosa e insertarla directamente en el punto de la reacción catalítica.

En el Catálisis de la naturaleza Según el estudio, la antena de captura de energía es una partícula de aluminio más pequeña que una célula viva, y los reactores son islas de paladio dispersas por la superficie de aluminio. La característica de ahorro de energía de los catalizadores de reactores de antena es quizás mejor ilustrada por otro de los éxitos anteriores de Halas: el vapor solar. En 2012, su equipo demostró que sus partículas de recolección de energía podían vaporizar instantáneamente las moléculas de agua cerca de su superficie, lo que significa que Halas y sus colegas podían producir vapor sin hervir agua. Para aclarar el punto, demostraron que podían hacer vapor con agua helada.

El diseño del catalizador del reactor de antena permite al equipo de Halas mezclar y combinar metales que son más adecuados para capturar la luz y catalizar reacciones en un contexto particular. El trabajo es parte del movimiento de la química verde hacia procesos químicos más limpios y eficientes, y LANP ha demostrado previamente catalizadores para producir etileno y gas de síntesis y para dividir el amoníaco para producir combustible de hidrógeno.

El autor principal del estudio, Hossein Robatjazi, Beckman Postdoctoral Fellow en UCSB, obtuvo su Ph.D. de Rice en 2019, realizó la mayor parte de la investigación durante sus estudios de posgrado en el laboratorio de Halas. Dijo que el proyecto también muestra la importancia de la colaboración interdisciplinaria.

“Terminé los experimentos el año pasado, pero nuestros resultados experimentales tuvieron algunas características interesantes, cambios en la cinética de reacción bajo iluminación, que plantearon una pregunta importante pero interesante: ¿Qué papel juega la luz para promover la química de ruptura de la FQ?” él dijo.

Las respuestas llegaron después de que Robatjazi llegó por su experiencia postdoctoral en UCSB. Se le asignó la tarea de desarrollar un modelo de microcinética, y una combinación de ideas del modelo y de los cálculos teóricos realizados por los colaboradores de Princeton ayudó a explicar los resultados desconcertantes.

“Con este modelo, utilizamos la perspectiva de la ciencia de la superficie en la catálisis tradicional para vincular de forma exclusiva los resultados experimentales con los cambios en la vía de reacción y la reactividad bajo la luz”, dijo.

Los experimentos de demostración en fluorometano podrían ser solo el comienzo para el catalizador de ruptura de CF.

“Esta reacción general puede ser útil para remediar muchos otros tipos de moléculas fluoradas”, dijo Halas.

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Referencia: “Carbono-flúor impulsado por plasma (C (sp3) –F) activación de enlaces con información mecanicista sobre las vías mediadas por portadoras calientes ”por Hossein Robatjazi, Junwei Lucas Bao, Ming Zhang, Linan Zhou, Phillip Christopher, Emily A. Carter, Peter Nordlander y Naomi J. Halas, 8 de junio de 2020 , Catálisis de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41929-020-0466-5

Halas es el profesor Stanley C. Moore de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, director del Instituto Smalley-Curl de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de los materiales y nanoingeniería.

Otros coautores incluyen a Ming Zhang, Linan Zhou y Peter Nordlander, todos de Rice; Junwei Lucas Bao, anteriormente de la Universidad de Princeton y ahora en el Boston College; Emily Carter, anteriormente de Princeton y ahora en UCLA; y Phillip Christopher de UCSB.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (MURI FA9550-15-1-0022), la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (HDTRA1-16-1-0042), la Fundación Welch (C-1220 y C-1222) y la Fundación Arnold y Mabel Beckman.