El acetaldehído es un componente químico esencial que desempeña un papel importante en la fabricación moderna. Generalmente se produce mediante el proceso de oxidación Walker a base de etileno, un método que es costoso y conlleva importantes inconvenientes ambientales. La conversión de bioetanol en acetaldehído mediante oxidación selectiva ofrece una opción más sostenible, pero la mayoría de los catalizadores existentes adolecen de un problema conocido. A medida que aumenta la actividad, la selectividad a menudo disminuye, lo que da como resultado rendimientos de acetaldehído inferiores al 90%.
Hace más de diez años, los investigadores Liu y Hensen demostraron un avance importante utilizando un Au/MgCuCr.2Y4 Su trabajo como catalizadores revela un Au específico.0-Ku+ reacción que proporciona más del 95% de rendimiento de acetaldehído a 250°C, mientras que es estable durante más de 500 h (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032; J. Catal. 2015, 331, 138; J. Catal. 2015, 331, 138; J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032). A pesar de estos hitos, el desarrollo de catalizadores seguros y no tóxicos que puedan lograr un rendimiento similar a bajas temperaturas sigue siendo un desafío sin resolver.
La nueva perovskita de oro cataliza aún más el rendimiento
El progreso reciente realizado por un equipo de investigación dirigido por el Prof. Peng Liu (Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong) y el Prof. Emil JM Hensen (Universidad de Tecnología de Eindhoven) es un importante paso adelante. El equipo diseñó una serie de Au/LaMnCuO3 catalizadores con diferentes proporciones de manganeso a cobre. Entre ellos, Au/LaMn0,75kú0,25Y3 representa la fuerte interacción cooperativa entre las nanopartículas de oro y un LaMnO moderado dopado con cobre.3 estructura de perovskita.
Esta combinación cuidadosamente protegida permite que la oxidación del etanol se desarrolle de manera eficiente a temperaturas inferiores a 250 °C. El nuevo catalizador supera al antiguo Au/MgCuCr2Y4 punto de referencia, y los resultados se publicaron en el Chinese Journal of Catalysis.
Optimización del diseño del catalizador para un alto rendimiento y estabilidad
Para mejorar la eficiencia de la conversión de etanol orgánico en acetaldehído (un químico valioso utilizado en plásticos y productos farmacéuticos), los investigadores se centraron en soportes de catalizadores basados en perovskita. Estos materiales se produjeron mediante un proceso de combustión sol-gel y luego se recubrieron con nanopartículas de oro. Ajustando el contenido de manganeso y cobre, el equipo identificó una fórmula óptima (Au/LaMn).0,75kú0,25Y3) que logró un rendimiento de acetaldehído del 95% a 225 °C y fue estable durante 80 h.
Los catalizadores con altos niveles de cobre funcionan mal, principalmente porque el cobre pierde su estado químico activo durante la reacción. El fuerte rendimiento del catalizador optimizado se debió a una interacción cooperativa entre iones de oro, manganeso y cobre.
Cómo trabajan juntos el oro, el cobre y el manganeso
Para explicar por qué el nuevo catalizador funciona tan bien, los investigadores llevaron a cabo estudios computacionales detallados utilizando la teoría funcional de la densidad y modelos microcinéticos. Estas simulaciones mostraron que la introducción de cobre en la estructura de la perovskita crea sitios altamente activos cerca de las partículas de oro. Estos sitios facilitan la reacción de las moléculas de oxígeno y etanol.
La catálisis optimizada también reduce la barrera energética para los pasos clave de la reacción, lo que permite que el proceso avance de manera más eficiente. Juntos, los datos experimentales y los modelos teóricos enfatizan la importancia de ajustar la composición del catalizador para lograr una mayor eficiencia y una mejor estabilidad.
