Chimica sostenibile: il ferro sostituisce i metalli preziosi nella catalisi
I ricercatori sviluppano una fonte di ferro(I) per le reazioni catalitiche - L'approccio mira a rendere i processi chimici più sostenibili
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Molti prodotti di uso quotidiano e industriale vengono creati con l'aiuto di catalizzatori chimici, come i prodotti farmaceutici, le materie plastiche e i rivestimenti. A questo scopo vengono spesso utilizzati metalli preziosi costosi e limitati. I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno ora presentato il primo composto di ferro stabile in aria, che rende il ferro(I) direttamente utilizzabile per la catalisi e, a differenza di quanto fatto in precedenza, non richiede forti agenti riducenti. In un primo test sono stati creati catalizzatori di ferro attivi. I risultati nel Journal of the American Chemical Society.
I catalizzatori assicurano che le reazioni chimiche avvengano più velocemente o siano possibili in primo luogo. Nei processi consolidati, questo compito è svolto da metalli preziosi come rodio, iridio o palladio. Sono adatti a molte applicazioni, ma sono costosi e rari. "La nostra ricerca si concentra su alternative sostenibili ed ecologiche ai catalizzatori di metalli preziosi", spiega il dottor Oliver Townrow dell'Istituto di nanotecnologia del KIT. "Il ferro è il quarto elemento più comune nella crosta terrestre e può svolgere compiti simili a quelli dei metalli preziosi in alcune reazioni catalitiche".
Stabilizzare il ferro reattivo
Al centro del lavoro c'è una fonte modulare di ferro(I) pre-attivato per la catalisi. Il numero romano descrive lo stato elettronico del metallo. Il ferro è solitamente presente nei composti chimici come ferro(II) o ferro(III). Tuttavia, il ferro(I) è particolarmente adatto per alcune reazioni catalitiche perché può accettare o rilasciare elettroni più facilmente. In questo modo è in grado di attivare altri percorsi di reazione.
Finora non esisteva un composto di partenza comparabilmente stabile che rendesse il ferro(I) direttamente disponibile per le applicazioni catalitiche. I ricercatori hanno quindi spesso dovuto generare questa forma di ferro durante la reazione utilizzando sostanze aggiuntive. Tali agenti riducenti portano il ferro nella forma reattiva desiderata, ma possono anche modificare altri componenti. "Questo rende difficile controllare esattamente quale composto di ferro viene prodotto nella reazione e come reagisce ulteriormente", spiega Luise Kink, primo autore dello studio e studente di chimica al KIT. "Con il nostro approccio, ora possiamo utilizzare questa forma reattiva di ferro in modo più affidabile".
Produrre e testare nuovi composti di ferro
Nei loro esperimenti, il team ha inizialmente prodotto il ferro(I) come composto separato al di fuori della catalisi vera e propria: il ferro si trovava tra due idrocarburi a forma di anello, chiamati molecole Duren, che stabilizzano il metallo reattivo. In questo modo, il ferro(I) sensibile rimane sufficientemente stabile contro l'ossigeno atmosferico e l'umidità per poter essere utilizzato in ulteriori reazioni.
I ricercatori hanno poi sostituito in modo specifico il duren con altre molecole per produrre vari composti di ferro(I). Li hanno analizzati utilizzando, tra l'altro, analisi della struttura a raggi X, metodi spettroscopici e misure magnetiche. In un primo test catalitico, hanno anche dimostrato che dal nuovo composto è possibile produrre un catalizzatore di ferro attivo.
Sviluppare ulteriormente i catalizzatori di ferro
Il nuovo composto di ferro(I) crea una base per ulteriori applicazioni. I ricercatori possono ora testare in modo più sistematico quali varianti sono adatte a determinate reazioni catalitiche. "Il nostro risultato dimostra che possiamo preparare meglio il ferro(I) per la catalisi e utilizzarlo in modo più controllato rispetto al passato", afferma Townrow. "A lungo termine, il nostro approccio dovrebbe aiutare a sostituire i metalli preziosi con il ferro nelle applicazioni industriali".
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