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Controlar a fase cristalina de nanopartículas de cobalto leva a um desempenho catalítico excepcional em processos de hidrogenação, relatam cientistas da Tokyo Tech. Produzidas por meio de um método inovador de síntese assistida por hidrosilano, essas nanopartículas reutilizáveis controladas por fase permitem a hidrogenação seletiva de vários compostos sob condições suaves sem o uso de gases nocivos como amônia. Esses esforços podem levar a processos catalíticos mais sustentáveis e eficientes em muitos campos industriais.
Hidrogenação — a reação química do gás hidrogênio com outro composto — é fundamental em indústrias como a alimentícia, farmacêutica, de materiais e petroquímica. Tradicionalmente, metais nobres como paládio e ródio servem como catalisadores nessas reações. No entanto, esses materiais são escassos e caros, e sua mineração é atormentada por preocupações ambientais. Além disso, eles exigem condições altamente controladas e intensivas em energia para funcionar efetivamente.
Nos últimos anos, o cobalto surgiu como uma alternativa promissora aos catalisadores de metais nobres para hidrogenação. As nanopartículas de cobalto (Co NPs) podem catalisar reações de hidrogenação de forma eficiente, exigindo temperaturas e pressões mais baixas do que os catalisadores de metais nobres. Apesar da significância teórica da fase cristalina dos Co NPs em seu desempenho catalítico, estudar isso tem sido desafiador devido à falta de métodos para produzir Co NPs com uma fase cristalina específica de tamanho semelhante.
Felizmente, uma equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio e da Universidade Metropolitana de Osaka, encontrou uma solução para esse problema. Conforme relatado em seu último estudo, que foi publicado no Jornal da Sociedade Química Americanaeles desenvolveram um novo método para produzir seletivamente NPs de Co com duas fases cristalinas muito distintas de uma maneira conveniente e consistente.
“Nós relatamos anteriormente que NPs de níquel podem ser prontamente sintetizados pela redução de complexos de níquel na presença de hidrossilanos por meio de uma técnica que chamamos de método assistido por hidrossilanos”, explica o professor Michikazu Hara, que liderou o estudo. “Nós hipotetizamos que os hidrossilanos agiriam não apenas como agentes redutores para cátions de Co, mas também como ligantes nos complexos metálicos para controlar o crescimento de partículas metálicas. Portanto, tentamos sintetizar NPs de Co com uma fase cristalina controlada por meio da simples adição de compostos de coordenação apropriados e solventes diol específicos.”
Por meio de testes cuidadosos, a equipe de pesquisa descobriu que suas previsões estavam corretas, e o método assistido por hidrosilano poderia produzir de forma confiável dois tipos de NPs de Co dependendo das condições de reação: NPs de Co cúbicos de face centrada (fcc) e NPs de Co hexagonais compactados (hcp). Eles então executaram vários experimentos de hidrogenação para explorar as diferenças no desempenho catalítico entre os dois tipos de NPs de Co.
Curiosamente, eles observaram que os NPs de hcp-Co eram muito superiores aos NPs de fcc-Co. Na hidrogenação de benzonitrila em benzil amina, os NPs de hcp-Co alcançaram uma seletividade muito maior, exibindo um rendimento de 97% em comparação aos 80% dos NPs de fcc-Co. Além disso, a hidrogenação usando NPs de hcp-Co exigiu uma pressão de aproximadamente metade daquela dos NPs de fcc-Co, tornando todo o processo mais eficiente em termos de energia. Esse feito notável não se limita apenas à produção de benzil amina, como Hara observa: “Vale a pena notar que o sistema catalítico baseado em NP de Co proposto demonstrou compatibilidade com uma gama diversificada de nitrilas e compostos de carbonila.”
Considerando que o cobalto é abundante, e o catalisador de base Co NP proposto é reutilizável e não requer gases nocivos como amônia, este trabalho pode servir como um trampolim para tecnologias de hidrogenação mais sustentáveis e econômicas. Por sua vez, isso deve reduzir o preço e o impacto ambiental de muitas commodities industriais, medicamentos e até mesmo produtos alimentícios, levando a um futuro geral melhor para a humanidade de várias maneiras.
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