Los catalizadores suelen ser materiales sólidos cuya superficie entra en contacto con gases o líquidos, lo que permite ciertas reacciones químicas. Sin embargo, esto significa que cualquier átomo del catalizador que no esté en la superficie no tiene ningún propósito real. Por lo tanto, es importante producir materiales extremadamente porosos, con un área superficial lo más grande posible por gramo de material catalizador.

Los científicos de TU Wien (Viena), junto con otros grupos de investigación, han desarrollado ahora un nuevo método para producir estructuras similares a esponjas altamente activas con porosidad en la escala nanométrica. El avance decisivo se logró a través de un proceso de dos pasos: se utilizan estructuras metal-orgánicas (MOF), que ya contienen muchos agujeros diminutos. Luego, se crea un tipo diferente de agujeros: estos agujeros artificiales sirven como un camino de alta velocidad para las moléculas. Esto hizo posible batir récords de actividad anteriores en la división del agua en hidrógeno y oxígeno. Los resultados ahora se han publicado en la revista Nature Communications.

Una esponja a escala nanométrica

"Los marcos orgánicos de metal son una clase emocionante de materiales multifuncionales", dice Shaghayegh Naghdi, el autor principal del estudio. “Están compuestos por diminutos grupos de metal y oxígeno que están unidos con pequeñas moléculas orgánicas en redes híbridas altamente porosas. Afuera vemos un material sólido, sin embargo, en la nanoescala tiene mucho espacio abierto que ofrece las áreas de superficie específicas más grandes conocidas de hasta 7000 m2 por gramo".

Estas características recomiendan el uso de MOF en la separación y el almacenamiento de gases, la purificación del agua y la administración de fármacos. Además, la proximidad a escala atómica de los compuestos moleculares con distintas propiedades químicas, electrónicas y ópticas los convierte en candidatos prometedores para la fotocatálisis y la electrocatálisis.

Un nuevo tipo de agujeros

“Hasta ahora, el mayor problema era que el diámetro de los poros intrínsecos es demasiado pequeño para un recambio catalítico eficiente”, dice el profesor Dominik Eder. “Estamos hablando de poros muy largos y extremadamente pequeños de 0,5 a 1 nm de diámetro, que es aproximadamente del tamaño de muchas moléculas pequeñas. Las moléculas de los reactivos tardan un tiempo en llegar a los sitios activos dentro de los MOF, lo que ralentiza considerablemente la reacción catalítica”.

Para superar esta limitación, el grupo desarrolló un método que aprovecha la flexibilidad estructural de los MOF. “Incorporamos dos conectores orgánicos estructuralmente similares, pero químicamente diferentes, para crear marcos de ligandos mixtos”, explica el Dr. Alexey Cherevan. “Debido a la diferente estabilidad térmica de los dos ligandos, pudimos eliminar uno de los ligandos de manera muy selectiva a través de un proceso llamado termólisis”, dice Shaghayegh Naghdi. De esa forma, se pueden agregar tipos adicionales de poros con un diámetro de hasta 10 nanómetros. Los nanoporos originales del material se complementan con poros de "tipo fractura" interconectados, que pueden actuar como una conexión de alta velocidad para las moléculas a través del material.

Seis veces más reactivo

El grupo de IMC se asoció con colegas de la Universidad de Viena y Technion en Israel y utilizó una gran cantidad de técnicas teóricas y experimentales de vanguardia para caracterizar completamente los nuevos materiales, que también se probaron para la evolución fotocatalítica de H2. La introducción de poros de tipo fractura podría aumentar la actividad catalítica seis veces, lo que coloca a estos MOF entre los mejores fotocatalizadores actuales para la producción de hidrógeno.

Los mayores beneficios al introducir poros más grandes se esperan en aplicaciones en fase líquida, particularmente en lo que respecta a la adsorción, el almacenamiento y la conversión de moléculas más grandes, como por ejemplo en los campos de suministro de fármacos y tratamiento de aguas residuales.

Convertir CO2 en combustibles verdes

Este nuevo proceso también brinda beneficios adicionales para aplicaciones foto/electrocatalíticas: “La eliminación selectiva de ligandos introduce sitios metálicos no saturados que pueden servir como centros de reacción catalítica adicionales o sitios de adsorción. Esperamos que estos sitios afecten el mecanismo de reacción y, por lo tanto, la selectividad del producto de procesos catalíticos más complejos”, explica el Prof. Eder. Actualmente, el equipo está probando esta hipótesis con MOF para la conversión fotocatalítica de CO2 en combustibles sostenibles y productos químicos básicos. También existe un interés de la industria química en estos catalizadores para ayudar a un reemplazo potencial de los procesos catalíticos térmicos que demandan energía con procesos fotocatalíticos más ecológicos a bajas temperaturas y condiciones ambientales.

El nuevo método es muy versátil y se puede aplicar a una variedad de estructuras y aplicaciones MOF. "Dado que actualmente conocemos alrededor de 99.000 MOF sintetizados y estructuras de tipo MOF", dice Shaghayegh Naghdi, "realmente hay mucho trabajo esperándonos en el futuro".

Fuente: Innovationorigins