Los investigadores han descubierto cómo funciona un nanocatalizador a nivel atómico
Los investigadores del Centro de Nanociencia (NSC) de la Universidad de Jyväskylä, Finlandia, y de la Universidad de Xiamen, China, han descubierto cómo las partículas de cobre a escala nanométrica funcionan para modificar un enlace de oxígeno y carbono cuando las moléculas de cetonas se convierten en moléculas de alcohol. La modificación de los enlaces carbono-oxígeno y carbono-carbono que se encuentran en las moléculas orgánicas es una etapa intermedia importante en las reacciones catalíticas, donde el material de partida se transforma en productos finales valiosos.
Estructura atómica del catalizador de cobre utilizado en la reacción de hidrogenación de un enlace de oxígeno y carbono. El formaldehído H2CO (a la izquierda), utilizado como molécula modelo en las simulaciones, toma dos hidrógenos del cobre; se mueven hacia el enlace carbono-oxígeno de modo que la molécula se convierte en un alcohol simple (metanol CH3OH a la derecha). Después de la reacción, una molécula de hidrógeno (azul, a la izquierda) en la vecindad se divide en dos átomos de hidrógeno dentro del cobre.
Sami Malola, University of Jyväskylä
La comprensión del funcionamiento de los catalizadores a nivel de la estructura atómica de una sola partícula permite desarrollar catalizadores en las direcciones deseadas, por ejemplo, haciéndolos eficientes y selectivos para un producto final específico deseado. El estudio fue publicado en la internacionalmente reconocida serie de publicaciones de ACS Nanociencia. En Finlandia, el estudio fue dirigido por el profesor de la Academia Hannu Häkkinen.
Las partículas catalíticas de cobre utilizadas en el estudio fueron fabricadas y caracterizadas estructuralmente en la Universidad de Xiamen, y los investigadores del Centro de Nanociencia (NSC) de la Universidad de Jyväskylä estudiaron su funcionamiento para cambiar un fuerte enlace carbono-oxígeno en una reacción de hidrogenación en simulaciones por computadora. La estructura atómica precisa de las partículas de cobre se determinó mediante difracción de rayos X y espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Se encontró que las partículas contenían 25 átomos de cobre y 10 hidrógenos, y había 18 tioles protegiendo la superficie de la partícula. Mientras que el trabajo experimental en Xiamen reveló su excelente desempeño en hidrogenación catalítica de cetonas, las simulaciones predijeron que los hidrógenos unidos al núcleo de cobre de la partícula actúan como un almacenamiento de hidrógeno, que libera dos átomos de hidrógeno al enlace de oxígeno de carbono durante una reacción. El almacenamiento de hidrógeno se rellena después de la reacción, cuando una molécula de hidrógeno unida a la partícula de su entorno se divide en dos átomos de hidrógeno, que se unen de nuevo al núcleo de cobre (ver imagen). Las mediciones de RMN realizadas en Xiamen revelaron un producto intermedio de la reacción, lo que confirmó las predicciones del modelo computacional.
"Esta es una de las primeras veces en todo el mundo en que ha sido posible descubrir cómo funciona una partícula catalítica cuando su estructura se conoce con precisión, gracias a una cooperación que incluye experimentos y simulaciones", dice el profesor de la Academia Hannu Häkkinen de la Universidad de Jyväskylä, quien dirigió la parte computacional del estudio.
La colaboradora de Häkkinen, Karoliina Honkala, profesora de catálisis computacional, continúa: "Tradicionalmente, los catalizadores caros a base de platino se utilizan en las reacciones de hidrogenación. Este estudio demuestra que las partículas de hidruro de cobre a nanoescala también actúan como catalizadores de hidrogenación. Los resultados dan esperanzas de que en el futuro será posible desarrollar catalizadores a base de cobre eficaces y económicos para transformar moléculas orgánicas funcionalizadas en productos con un mayor valor añadido".
Además de Häkkinen y Honkala, participaron en el estudio la investigadora postdoctoral Nisha Mammen, el estudiante de doctorado Sami Kaappa y el investigador principal Sami Malola de la Universidad de Jyväskylä. La investigación realizada por los grupos de Häkkinen y Honkala fue apoyada por la Academia de Finlandia. Las simulaciones por ordenador del estudio fueron realizadas por los superordenadores del CSC - Centro de TI para la Ciencia. El trabajo experimental del estudio fue realizado por el grupo del profesor Nanfeng Zheng de la Universidad de Xiamen.
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