O acetaldeído é um importante componente químico que desempenha um papel importante na fabricação moderna. Normalmente é produzido usando o processo de oxidação WACKER à base de etileno, que é caro e apresenta desvantagens ambientais significativas. A conversão de bioetanol em acetaldeído através da oxidação seletiva oferece uma alternativa mais sustentável, mas a maioria dos catalisadores existentes enfrenta um problema familiar. À medida que a atividade aumenta, a seletividade normalmente diminui, resultando em rendimentos de acetaldeído abaixo de 90%.
Há mais de uma década, os pesquisadores Liu e Hensen demonstraram um avanço importante usando Au/MgCuCr2oxigênio4 catalisador. Seu trabalho revelou um Au específico0-cobre+ Essa interação resultou em mais de 95% de rendimento de acetaldeído a 250°C enquanto permaneceu estável por mais de 500 horas (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032; J. Catal. 2015, 331, 138; J. Catal. 2017, 347, 45). Apesar deste marco, o desenvolvimento de catalisadores mais seguros e não tóxicos que possam atingir um desempenho semelhante a temperaturas mais baixas continua a ser um desafio não resolvido.
Novo catalisador de perovskita de ouro melhora ainda mais o desempenho
O progresso recente realizado por uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Liu Peng (Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong) e pelo Professor Emiel JM Hensen (Universidade de Tecnologia de Eindhoven) marca um importante passo em frente. A equipe projetou uma série de Au/LaMnCuO3 Catalisadores com diferentes proporções de manganês para cobre. Entre eles, Au/LaMn0,75cobre0,25oxigênio3 destaca-se pela forte interação sinérgica entre nanopartículas de ouro e LaMnO moderadamente dopado com cobre3 Estrutura perovskita.
Esta sinergia bem ajustada permite que a oxidação do etanol prossiga de forma eficiente em temperaturas abaixo de 250oC. Novo catalisador supera Au/MgCuCr de longa data2oxigênio4 benchmark, os resultados são publicados na Acta Catalysis.
Otimize o design do catalisador para obter maiores rendimentos e estabilidade
Para melhorar a eficiência da conversão de bioetanol em acetaldeído, um produto químico valioso usado em plásticos e produtos farmacêuticos, os pesquisadores se concentraram em suportes catalíticos à base de perovskita. Os materiais são produzidos por meio de um processo de combustão sol-gel e depois revestidos com nanopartículas de ouro. Ajustando os níveis de manganês e cobre, a equipe determinou a fórmula ideal (Au/LaMn0,75cobre0,25oxigênio3), o rendimento de acetaldeído atinge 95% a 225°C e permanece estável por 80 horas.
Catalisadores com maior teor de cobre apresentam pior desempenho, principalmente porque o cobre tende a perder seu estado químico ativo durante a reação. O poderoso desempenho do catalisador otimizado é atribuído às interações sinérgicas entre íons ouro, manganês e cobre.
Como ouro, cobre e manganês funcionam juntos
Para explicar por que o novo catalisador teve um desempenho tão bom, os pesquisadores conduziram estudos computacionais detalhados usando a teoria do funcional da densidade e modelos microdinâmicos. Estas simulações mostram que a introdução de cobre na estrutura da perovskita cria locais altamente ativos próximos às partículas de ouro. Esses locais facilitam a reação das moléculas de oxigênio e etanol.
Os catalisadores otimizados também reduzem as barreiras energéticas para as principais etapas da reação, permitindo que o processo prossiga com mais eficiência. Dados experimentais e modelos teóricos juntos destacam a importância de ajustar com precisão as composições do catalisador para alcançar maior eficiência e melhor estabilidade.
