Liberare il potere dell'oro: una svolta nella chimica verde
I ricercatori hanno scoperto una potente sinergia tra oro, manganese e rame che potrebbe trasformare il modo in cui produciamo sostanze chimiche preziose
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L'acetaldeide è un intermedio chimico chiave prodotto tradizionalmente attraverso il processo di ossidazione Wacker a base di etilene, che è costoso e dannoso per l'ambiente. L'ossidazione selettiva del bioetanolo ad acetaldeide offre un'alternativa più ecologica e sostenibile, ma la maggior parte dei catalizzatori riportati si scontra con il consueto compromesso tra attività e selettività, producendo in genere meno del 90% di acetaldeide.

I ricercatori hanno scoperto una potente sinergia tra oro, manganese e rame che potrebbe trasformare il modo in cui produciamo preziosi prodotti chimici. Supportando minuscole nanoparticelle d'oro su un materiale di perovskite appositamente progettato (LaMn0,75Cu0,25O3), il team ha ottenuto un'impressionante resa del 95% di acetaldeide dall'etanolo a soli 225 °C, un passo importante verso processi chimici più puliti ed efficienti. Il segreto sta nell'uso intelligente del rame. Una piccola quantità di rame migliora notevolmente il catalizzatore, creando siti attivi che accelerano la fase più difficile della reazione. Ma c'è un problema: troppo rame destabilizza il sistema, riducendone l'efficienza. Questo delicato equilibrio evidenzia l'importanza della progettazione a livello atomico nei catalizzatori di prossima generazione per una produzione chimica sostenibile.
Chinese Journal of Catalysis
In particolare, Liu e Hensen hanno dimostrato una sinergia specifica Au0-Cu+ in un catalizzatore Au/MgCuCr2O4 di ultima generazione, ottenendo una resa di AC superiore al 95% a 250oCcon prestazioni stabili per oltre 500 ore (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032; J. Catal. 2015, 331, 138; J. Catal. 2017, 347, 45). Nonostante questo significativo passo avanti compiuto più di dieci anni fa, la ricerca di catalizzatori più efficienti e non tossici in grado di promuovere l'ossidazione selettiva dell'etanolo a temperature più basse rimane una sfida importante.
Recentemente, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Peng Liu (Huazhong University of Science and Technology) e dal Prof. Emiel J.M. Hensen (Eindhoven University of Technology) ha riportato progressi significativi nell'ossidazione selettiva dell'etanolo. Hanno sviluppato una serie di catalizzatori Au/LaMnCuO3 con diversi rapporti Mn/Cu, tra cui la composizione Au/LaMn0,75Cu0,25O3 ha mostrato un pronunciato effetto sinergico tra le nanoparticelle d'oro e la perovskite LaMnO3 moderatamente drogata di Cu. Questa sinergia ha permesso un'efficiente ossidazione dell'etanolo al di sotto dei 250oC, superando il catalizzatore Au/MgCuCr2O4 precedentemente valutato. I risultati sono stati pubblicati sul Chinese Journal of Catalysis.
Per migliorare l'efficienza della conversione del bioetanolo in acetaldeide, una sostanza chimica preziosa utilizzata nelle materie plastiche e nei prodotti farmaceutici, i ricercatori hanno sviluppato una nuova classe di catalizzatori basati su materiali di perovskite. Questi supporti sono stati sintetizzati con un metodo di combustione sol-gel e poi rivestiti con nanoparticelle d'oro. Regolando il rapporto tra manganese e rame nella struttura della perovskite, il team ha identificato una composizione ottimale (Au/LaMn0,75Cu0,25O3) che ha permesso di ottenere un'elevata resa di acetaldeide del 95% a 225°C e di mantenere prestazioni stabili per 80 ore. I catalizzatori con un contenuto di rame più elevato sono risultati meno efficaci, soprattutto perché il rame tende a perdere la sua forma attiva durante la reazione. Il miglioramento delle prestazioni del catalizzatore ottimizzato è legato a un'interazione cooperativa tra ioni oro, manganese e rame.
Per capire meglio come questi elementi lavorano insieme, i ricercatori hanno utilizzato tecniche computazionali avanzate, tra cui la teoria funzionale della densità e le simulazioni microcinetiche. Questi studi hanno rivelato che il drogaggio del rame nella perovskite crea siti attivi vicino alle particelle d'oro che aiutano ad attivare le molecole di ossigeno ed etanolo in modo più efficiente. Il catalizzatore ottimizzato ha anche mostrato una barriera energetica più bassa per le fasi chiave della reazione, rendendo il processo più efficiente. I risultati sperimentali e teorici evidenziano l'importanza di regolare con precisione la composizione del catalizzatore per ottenere prestazioni migliori.
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