Desde el poliuretano que fabrica nuestros asientos de automóvil hasta el papel hecho con pulpa de madera blanqueada, el cloro se puede encontrar en una variedad de procesos de fabricación a gran escala. Pero mientras que el cloro es bueno para activar los fuertes enlaces de las moléculas, lo que permite a los fabricantesSintetizar los productos que usamos a diario, puede ser una sustancia química insidiosa, que a veces se escapa al medio ambiente como subproductos peligrosos como el cloroformo y la dioxina.
Como resultado, los científicos y las empresas han estado explorando una alternativa más benigna para el medio ambiente que el cloro: el peróxido de hidrógeno o H 2 O 2 . Pero es un reactivo costoso. El peróxido de hidrógeno generalmente se produce en instalaciones grandes y centralizadas y requiere una cantidad significativa de energía para la separación, concentración y transporte. Un puñado de instalaciones a gran escala en todo el mundo han comenzado a producir H 2 O 2 utilizando el proceso actual, pero en las mismas instalaciones que los precursores de poliuretano, lo que da como resultado un ahorro significativo de costos y energía y reduce el impacto ambiental. Idealmente, las fábricas de menor escala también podrían producir peróxido de hidrógeno en el sitio, pero esto requeriríaun conjunto de química completamente diferente, síntesis directa de H 2 O 2 de hidrógeno y oxígeno gaseoso, que durante mucho tiempo se ha entendido mal según los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Una nueva investigación de David Flaherty, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular y estudiante de posgrado Neil Wilson revela el mecanismo para la síntesis directa de H 2 O 2 sobre catalizadores de racimo de paladio y allana el camino para diseñar catalizadores mejorados para producir H 2 O 2 para usar en lugar de cloro nocivo, independientemente de la escala de la instalación de producción. La investigación aparece como la historia de portada de la edición del 20 de enero de 2016 del Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
El mecanismo comúnmente aceptado para la síntesis directa de H 2 O 2 esencialmente establece que los átomos de hidrógeno y oxígeno se unen uno al lado del otro en la superficie del catalizador y luego reaccionan, dijo Wilson. Para comprender mejor lo que estaba sucediendo, pasó más de un año construyendo un reactor, ajustando los procedimientos experimentales y luego recolectandoy analizar los datos de la velocidad de reacción.
"Lo que la gente pensó que estaba sucediendo es que después de que los átomos de hidrógeno se separaron y se adsorbieron en la superficie del paladio, simplemente reaccionaron con el oxígeno en la superficie. Pero eso no es realmente consistente con lo que vimos", dijo Wilson.un estudiante graduado de cuarto año en el laboratorio de Flaherty y primer autor del artículo, "Mecanismo para la síntesis directa de H 2 O 2 en clústeres de Pd: vías de reacción heterolítica en la interfaz líquido-sólido ".
En la portada de la revista hay una imagen que describe sus hallazgos: en lugar de reaccionar juntos en la superficie del catalizador el grupo de paladio, los átomos de hidrógeno se disocian en sus componentes: protones y electrones. Los protones ingresan a la solución circundantede agua y metanol, mientras que los electrones fluyen a través del paladio hacia las moléculas de oxígeno.
"Cuando el oxígeno desciende a la superficie, puede reaccionar con pares de protones y electrones para formar peróxido de hidrógeno", dijo Wilson.
"La razón por la que esto es crítico", dijo Flaherty, "es porque nos da una guía sobre cómo fabricar la próxima generación de estos materiales. Todo esto está motivado por tratar de producir peróxido de hidrógeno de manera más barata para que se pueda fabricar más fácilmente, por lo que podemos usarlo en lugar del cloro. Pero no sabíamos cómo hacer un catalizador que fuera mejor que el que tenemos ahora ".
Los investigadores ahora tendrán una mejor idea de lo que está sucediendo en la superficie del catalizador y una apreciación del papel de los procesos de transferencia de protones y electrones en esta química. No se reconoció que el oxígeno en la superficie reaccionaba con especies en fase líquida, yque la formación de H 2 O 2 por síntesis directa, por lo tanto, está fuertemente influenciada por la propia solución. Sin embargo, la formación de agua la reacción secundaria no deseada está principalmente influenciada por las propiedades de la superficie del catalizador.
"Ahora que entendemos lo que está sucediendo en la superficie, podemos comenzar a impulsar el diseño racional del catalizador", dijo Wilson. El grupo de investigación ahora está investigando otro catalizador, el oro-paladio, que se ha demostrado en trabajos anteriores que es muyselectivo hacia H 2 O 2 . "La gente todavía no sabe del todo por qué el oro-paladio es tan selectivo", agregó Wilson, pero parece que esta nueva percepción mecanicista ayudará a explicar la selectividad de estos materiales.
Varios estudiantes en el laboratorio de Flaherty están actualmente explorando diferentes formas de "acoplar esta química directamente con reacciones que usan peróxido de hidrógeno para oxidaciones verdes en escalas de longitud muy cortas", es decir, micrómetros de distancia, dijo Flaherty. "Si podemos guardar estos H 2 O 2 catalizadores de formación muy cerca de algo que realiza la reacción de oxidación, podemos evitar todo el problema o concentrar y transportar peróxido de hidrógeno. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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