Cómo los catalizadores "monoatómicos" ayudan a eliminar los contaminantes orgánicos
Conocimiento mecánico de los catalizadores de última generación basados en el hierro
Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han descubierto las claves del funcionamiento de los catalizadores "monoatómicos" basados en sitios de hierro-piridina en una matriz de carbono. En primer lugar, desarrollaron un nuevo y sencillo método de síntesis para un catalizador que activa el peroximonosulfato, muy eficaz para descomponer contaminantes que no se biodegradan fácilmente. Descubrieron que los sitios de hierro en estado de "alta rotación" estaban fuertemente correlacionados con el rendimiento del catalizador gracias a dos vías químicas distintas.
Los estados de piridina de hierro de alto espín se activan a través de dos mecanismos diferentes, ya sea a través de la producción de radicales hidroxi a partir de peroximonosulfato, o la formación de un complejo Fe(V)-O.
Tokyo Metropolitan University, ACS Environ. Sci. Technol. 2022, DOI: 10.1021/acs.est.1c05980
Se prepara un precursor de Fe-MOF que se muele junto con la melamina. El polvo resultante se introduce en un tubo en una atmósfera inerte de nitrógeno antes de calentarlo a altas temperaturas (calcinación).
Tokyo Metropolitan University, ACS Environ. Sci. Technol. 2022, DOI: 10.1021/acs.est.1c05980
El mundo está lleno de productos químicos sintéticos útiles, ya sean disolventes domésticos, productos farmacéuticos o fertilizantes. Pero con ello ha llegado una gama similar de contaminantes a nuestro entorno, en detrimento tanto de los ecosistemas como de nuestro propio bienestar. En particular, una clase de contaminantes conocidos como orgánicos "refractarios" son especialmente preocupantes. No se biodegradan fácilmente y permanecen en el medio ambiente durante mucho tiempo. Por eso son muy importantes las estrategias eficaces de eliminación o degradación en los flujos de aguas residuales.
Los científicos han tratado de desarrollar catalizadores eficaces que ayuden a descomponer los contaminantes refractarios nocivos. Un tipo de catalizador prometedor es el catalizador "monoatómico" (SAC), en el que los átomos de metal se dispersan uniformemente dentro de una matriz de átomos de carbono. La incorporación de hierro es especialmente prometedora, ya que los resultados son baratos, no tóxicos y muy eficaces. Sin embargo, a pesar de las demostraciones en el laboratorio, los SAC siguen siendo difíciles de producir y el mecanismo por el que funcionan sigue sin estar claro.
Ahora, un equipo dirigido por el profesor asociado Shiro Kubuki, de la Universidad Metropolitana de Tokio, ha desarrollado con éxito un método sencillo para producir SAC con sitios de hierro-piridina (hierro rodeado por cuatro átomos de nitrógeno) incorporados a láminas de carbono. Basándose en la pirólisis, la descomposición y recombinación de sustancias químicas mediante el calor, el equipo tomó precursores de hierro en estructuras tridimensionales complejas conocidas como marcos de óxido metálico (MOF), los molió junto con melamina y los calentó en una atmósfera inerte a temperaturas superiores a los 500 grados Celsius. Al activar el peroximonosulfato, un agente oxidante habitual, demostraron ser muy eficaces para eliminar contaminantes como el bisfenol A (BPA), una sustancia química habitual en resinas y plásticos.
En su trabajo, el equipo descubrió que los catalizadores fabricados de distintas formas tenían una eficacia diferente. Mediante una técnica experimental llamada espectroscopia Mossbauer y el cálculo de la teoría del funcional de la densidad, estudiaron el estado de los sitios de piridina de hierro en diferentes lotes. Curiosamente, encontraron una fuerte correlación entre la presencia de estados de Fe(ii) y Fe(iii) de "alto espín" y la eficacia del catalizador. "Alto espín" se refiere a la forma específica en que los electrones llenan los orbitales de alta energía alrededor del hierro; la interacción entre el hierro y los elementos circundantes ayuda a crear estados de "alto espín" y "bajo espín" que se comportan de forma diferente. Utilizando técnicas computacionales, descubrieron por primera vez que había, de hecho, dos vías diferentes por las que los estados de alto espín podían ayudar a que se produjeran las reacciones. Los sitios de Fe(ii) interactuaban fuertemente con el peroximonosulfato para crear radicales hidroxilo altamente reactivos; los sitios de Fe(iii), en cambio, formaban grupos conocidos como complejos Fe(V)-O, que a su vez ayudaban a descomponer los contaminantes orgánicos.
El equipo espera que esta tecnología, que combina conocimientos mecánicos y un método sencillo de fabricación de SAC, se aplique en mayor medida a los sistemas reales de tratamiento de aguas residuales y a los esfuerzos por limpiar el medio ambiente.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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