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Novas pesquisas inspiradas na intrincada estrutura das asas das borboletas levaram a um método para ajustar as reações catalíticas, aumentando a seletividade e a eficiência na produção química. Este avanço sublinha o potencial dos designs bioinspirados para impulsionar a inovação industrial. Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores expandem formas de melhorar a seletividade das reações catalíticas.
Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, do Departamento de Química e Biologia Química de Harvard e da Universidade de Utrecht relataram uma maneira anteriormente evasiva de melhorar a seletividade das reações catalíticas, adicionando um novo método de aumentar a eficácia dos catalisadores para uma gama potencialmente ampla de aplicações em diversas indústrias, incluindo farmacêutica, cosmética e muito mais.
A pesquisa será publicada hoje (16 de fevereiro) em Catálise da Natureza.
Desafios em Processos Catalíticos
A indústria química depende de catalisadores para mais de 90% dos seus processos e quase todos estes catalisadores consistem em nanopartículas dispersas no topo de um substrato. Os pesquisadores há muito suspeitam que o tamanho das nanopartículas individuais e a distância entre elas desempenham papéis importantes na velocidade e nos produtos produzidos na reação catalítica, mas como as nanopartículas são propensas a se movimentar e se aglomerar durante a catálise, tem sido difícil estudar exatamente como.
Na última década, Joanna Aizenberg, Professora Amy Smith Berylson de Ciência de Materiais e Professora de Química e Biologia Química, e seu laboratório têm se inspirado na natureza para construir materiais porosos e altamente ordenados para uma ampla gama de reações catalíticas. Inspirados na estrutura das asas de borboleta, os pesquisadores projetaram uma nova plataforma catalítica que incorpora parcialmente as nanopartículas no substrato, prendendo-as para que não se movam durante a catálise, enquanto deixa o resto da superfície das nanopartículas exposta, permitindo-lhes realizar as reações catalíticas de forma eficiente e sem aglomeração.
Distância média interpartículas menor. As esferas de ouro, prata, branco e vermelho representam átomos de ouro, paládio, silício e oxigênio, respectivamente. Crédito: Harvard SEAS, editado
Melhorando a seletividade da reação
Os pesquisadores descobriram que a distância entre as partículas teve um enorme impacto na seletividade da reação.
“Muitas reações químicas industrialmente relevantes seguem uma cascata em que o produto químico A é transformado no produto químico B, que pode então ser transformado no produto químico C e assim por diante”, disse Kang Rui Garrick Lim, estudante de graduação no Laboratório Aizenberg e primeiro autor do estudo. . “Em alguns processos catalíticos, o produto químico intermediário, o produto químico B, é o objetivo, enquanto em outros é o produto final, o produto químico C. A seletividade do catalisador refere-se a se ele favorece a produção do produto químico B ou do produto químico C.”
Um bom exemplo disso é a produção de álcool benzílico, um produto químico usado em tudo, desde goma-laca, tintas e produção de couro até medicamentos intravenosos, cosméticos e medicamentos tópicos.
O álcool benzílico é o produto químico intermediário B, derivado da hidrogenação do benzaldeído (produto químico A), antes da reação criar o tolueno (produto químico C), outro produto químico comumente usado, mas de menor valor. Para produzir álcool benzílico de forma eficiente, a formação de tolueno precisa ser suprimida.
Atualmente, para tornar o álcool benzílico mais útil, a reação de hidrogenação catalítica é retardada, ou não completada, para garantir que a reação irá parar em B e formar o mínimo de tolueno possível.
“Geralmente, para produzir esses produtos químicos intermediários, você torna o catalisador menos reativo e a reação geral mais lenta, o que não é nada produtivo”, disse Lim. “Os catalisadores foram criados para acelerar as coisas, não para retardá-las.”
Implicações e direções futuras
Os pesquisadores demonstraram sua plataforma na formação catalítica de álcool benzílico. Lim e a equipe descobriram que quando as nanopartículas metálicas catalíticas eram colocadas mais afastadas no substrato, a reação era mais seletiva em relação ao álcool benzílico, o produto químico intermediário. Quando as nanopartículas estavam mais próximas, a reação foi mais seletiva em relação ao tolueno, o produto final. Dado que a distância entre as nanopartículas pode ser ajustada sinteticamente usando a plataforma catalítica bioinspirada, a pesquisa sugere que a mesma plataforma catalítica pode ser facilmente adaptada para uma gama de produtos químicos intermediários ou finais.
“A catálise é fundamental para a produção de toda uma gama de materiais extremamente importantes que são usados em produtos farmacêuticos, produtos de consumo e na fabricação de muitos produtos que todos nós usamos na vida cotidiana”, disse Aizenberg.
“Adicionar esta ferramenta de melhoria da seletividade ao arsenal do químico é extremamente importante. Permitirá um ajuste mais eficaz dos processos catalíticos, uma utilização mais económica das matérias-primas acompanhada pela redução do consumo de energia e da geração de resíduos. Esperamos que os químicos utilizem nossa plataforma na otimização adicional de processos catalíticos novos e existentes.”
A seguir, a equipe usará a mesma plataforma para entender como o tamanho das nanopartículas impacta a reação em distâncias fixas entre as nanopartículas.
Referência: “A proximidade das nanopartículas controla a seletividade na hidrogenação do benzaldeído” por Kang Rui Garrick Lim, Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxés Perich, Jessi ES van der Hoeven, Michael Aizenberg e Joanna Aizenberg, 16 de fevereiro de 2024, Catálise da Natureza.
DOI: 10.1038/s41929-023-01104-1
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual do laboratório do Professor Aizenberg, que é a tecnologia subjacente a esta pesquisa.
A pesquisa foi coautoria de Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi ES van der Hoeven e Michael Aizenberg. Foi apoiado em parte pelas Arquiteturas Integradas de Mesoescala para Catálise Sustentável (IMASC), um Centro de Pesquisa de Fronteira Energética financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Ciências Básicas de Energia sob o prêmio número DE-SC0012573 e pela Redução de Ameaças de Defesa dos EUA. Agência (DTRA) sob o número de prêmio HDTR1211001612.