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 causar problemas como la coquización. Los científicos exploran cada vez más elementos 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 obstáculos espaciales o electrónicos. Esta “frustración” los deja en un estado altamente reactivo, lo que les permite reaccionar con moléculas estables como el hidrógeno, el dióxido de carbono o el amoníaco, que suelen ser bastante difíciles de descomponer. Los FLP se destacan porque tienen múltiples sitios activos, lo que los hace más reactivos y selectivos que los catalizadores convencionales, que normalmente tienen un solo sitio activo. Hay dos tipos principales de FLP: FLP de trastorno heterocigoto y FLP homocigoto de base molecular. El primer tipo controla el número de sitios activos a través de defectos superficiales. Puede resultar difícil ajustar con precisión su respuesta y controlar su estabilidad. El segundo tipo involucra moléculas pequeñas donde hay un par ácido-base dentro de la misma estructura molecular, lo que facilita el ajuste de su reactividad cambiando los componentes 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). El esfuerzo conjunto reunió a expertos de todo el mundo, incluidos el Prof. Yuji Iwamoto y el Dr. Shotaro Tada del Instituto de Tecnología de Nagoya, Japón. Dr. Samuel Bernard de la Universidad de Limoges, Francia; y el profesor Ravi Kumar del Instituto Indio de Tecnología de Madrás, India. Sus hallazgos estuvieron disponibles en línea el 9 de agosto de 2024, fueron designados como “artículo de actualidad” el 2 de octubre de 2024 y se publicaron en la revista Volumen 63, Número 46. Edición Internacional de Química Aplicada El 11 de noviembre de 2024.
“Utilizamos un polímero organosilícico que contiene nitrógeno, llamado polisilazina, como precursor de las bases de Lewis, así como una matriz de nitruro de silicio amorfo (a-SiN)”, explica el investigador principal, el profesor Yuji Iwamoto, mediante un proceso termoquímico. -Andamios de SiN con tamaños de poro controlados con precisión que actúan como campos de reacción nanoconfinados”.
En este estudio, el equipo de investigación modificó químicamente la polisilazina con boro (B), un ácido de Lewis naturalmente abundante y menos tóxico, y sodio (Na). Luego, el material modificado se expuso a un flujo de amoníaco a 1000 °C, lo que dio como resultado nitruro de boro y silicio amorfo dopado con sodio (SiBN dopado con Na).
Utilizando técnicas espectroscópicas de última generación, los investigadores revelaron cómo el material SiBN dopado con sodio interactúa con el hidrógeno a nivel molecular. Descubrieron que la estructura única del material mejoraba la reactividad de los sitios de boro y nitrógeno cuando se exponían al hidrógeno. Específicamente, las moléculas de hidrógeno interactuaron tanto con los sitios de boro como con los iones de sodio, cambiando el resto de boro-nitrógeno coordinado triplemente en una estructura más distorsionada y polar con moléculas más pequeñas formando una geometría coordinada cuádruple, frustrada por Lewis. sitios ácidos (FLA). Cuando se introdujo hidrógeno a ciertas temperaturas, se iniciaron cambios en los enlaces nitrógeno-hidrógeno (NH), lo que resultó en la formación de sitios frustrados de bases de Lewis (FLB). Estos sitios formaron un patrón de interacción dinámica de FLP que permitió la adsorción y desorción reversible de hidrógeno, lo cual fue confirmado mediante experimentos termodinámicos. La alta energía de activación para la liberación de hidrógeno sugirió una fuerte interacción, lo que convirtió al material en un catalizador prometedor para reacciones eficientes y sostenibles basadas en hidrógeno.
Este material SiBN amorfo dopado con sodio recientemente desarrollado se caracteriza 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 es prometedor para avanzar en las interacciones de fase sólido-gas mediadas por grupos centrales en catálisis heterogénea, ofreciendo conocimientos valiosos y promete un impacto significativo en este dominio”, explica el profesor Iwamoto.
Los hallazgos clave de este estudio resaltan el potencial de este material avanzado para revolucionar la catálisis sostenible.