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Un grupo de investigadores han descubierto una poderosa sinergia entre el oro, el manganeso y el cobre que podría transformar nuestra forma de producir sustancias químicas valiosas.
Al apoyar diminutas nanopartículas de oro sobre un material de perovskita especialmente diseñado (LaMn0,75Cu0,25O3), el equipo logró un impresionante rendimiento del 95% de acetaldehído a partir de etanol a sólo 225 °C, un paso importante hacia procesos químicos más limpios y eficientes.
El acetaldehído es un intermediario químico clave que tradicionalmente se produce mediante el proceso de oxidación de Wacker, basado en el etileno, que es costoso y perjudicial para el medio ambiente.
El secreto reside en el uso inteligente del cobre. Una pequeña cantidad de Cu mejora drásticamente el catalizador al crear sitios activos que aceleran el paso más difícil de la reacción. Pero hay un truco: demasiado cobre desestabiliza el sistema, reduciendo la eficiencia. Este delicado equilibrio pone de relieve la importancia del diseño a nivel atómico en los catalizadores de nueva generación para una fabricación química sostenible.
En este sentido, la oxidación selectiva del bioetanol a acetaldehído ofrece una alternativa más ecológica y sostenible, pero la mayoría de los catalizadores utilizados se enfrentan al habitual equilibrio entre actividad y selectividad, y suelen producir menos del 90% de acetaldehído.
Recientemente, el equipo de investigación dirigido por el Prof. Peng Liu (Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong) y el Prof. Emiel J.M. Hensen (Universidad Tecnológica de Eindhoven) comunicó avances significativos en la oxidación selectiva del etanol. Desarrollaron una serie de catalizadores Au/LaMnCuO3 con distintas relaciones Mn/Cu, entre los cuales la composición Au/LaMn0,75Cu0,25O3 mostró un pronunciado efecto sinérgico entre las nanopartículas de oro y la perovskita LaMnO3 moderadamente dopada con Cu.
Esta sinergia permitió una oxidación eficiente del etanol por debajo de 250oC, superando al catalizador Au/MgCuCr2O4 de referencia anterior. Los resultados se publicaron en la revista Chinese Journal of Catalysis.
Para mejorar la eficiencia de la conversión de bioetanol en acetaldehído -una valiosa sustancia química utilizada en plásticos y productos farmacéuticos-, los investigadores desarrollaron una nueva clase de catalizadores basados en materiales de perovskita. Estos soportes se sintetizaron mediante un método de combustión sol-gel y luego se recubrieron con nanopartículas de oro.
Ajustando la proporción de manganeso y cobre en la estructura de la perovskita, el equipo identificó una composición óptima (Au/LaMn0,75Cu0,25O3) que alcanzó un alto rendimiento de acetaldehído del 95% a 225°C y mantuvo un rendimiento estable durante 80 horas. Los catalizadores con mayor contenido en cobre fueron menos eficaces, en gran medida porque el cobre tiende a perder su forma activa durante la reacción. La mejora del rendimiento del catalizador optimizado está relacionada con una interacción cooperativa entre los iones de oro, manganeso y cobre.
Para entender mejor el funcionamiento conjunto de estos elementos, los investigadores utilizaron técnicas computacionales avanzadas, como la teoría del funcional de la densidad y simulaciones microcinéticas. Estos estudios revelaron que el dopaje de cobre en la perovskita crea sitios activos cerca de las partículas de oro que ayudan a activar más eficazmente las moléculas de oxígeno y etanol.
El catalizador optimizado también mostró una barrera energética más baja para los pasos clave de la reacción, lo que hace que el proceso sea más eficiente. Tanto los resultados experimentales como los teóricos subrayan la importancia de afinar la composición del catalizador para lograr un mejor rendimiento.
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