Catalisadores nanocompósitos heterogêneos com nanoestruturas de rênio para a redução catalítica de 4

Jun 04, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 6228 (2022) Citar este artigo

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Nanocatalisadores heterogêneos estáveis ​​e eficientes para a redução de 4-nitrofenol (4-NP) têm atraído muita atenção nos últimos anos. Neste contexto, uma abordagem in situ única e eficiente é utilizada para a produção de novos nanocompósitos poliméricos (pNCs) contendo nanoestruturas de rênio (ReNSs). Estes materiais raros devem facilitar a decomposição catalítica do 4-NP, garantindo por sua vez maior atividade catalítica e estabilidade. Esses nanomateriais foram analisados ​​​​por espectroscopia no infravermelho com transformação de Fourier (FT-IR), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de raios X em pó (XRD). A eficiência da reação catalítica foi estimada com base nos espectros UV-Vis adquiridos, o que permitiu a estimativa da atividade catalítica usando modelagem de pseudo-primeira ordem. O método aplicado resultou na produção bem-sucedida e no carregamento eficiente de ReNSs nas matrizes poliméricas. As funcionalidades amino desempenharam um papel fundamental no processo de redução. Além disso, a funcionalidade derivada do 1,1'-carbonil imidazol melhorou a disponibilidade dos ReNSs, o que resultou em 90% de conversão de 4-NP com uma constante de taxa máxima de 0,29 min-1 ao longo de 11 ciclos catalíticos subsequentes. Este efeito foi observado apesar da quantidade vestigial de Re nos pNCs (~ 5%), sugerindo um efeito sinérgico entre a base polimérica e o catalisador à base de ReNSs.

Devido às propriedades únicas do grupo –NO2, os compostos nitroaromáticos (NARs) servem como blocos de construção essenciais para a fabricação de produtos químicos finos. Isto faz dos NAR o maior grupo de produtos químicos utilizados em escala industrial1,2,3,4. Além disso, grandes quantidades de NARs são detectadas diariamente nos gases de escape dos motores diesel. Estas fontes significativas de resíduos tornam os NARs um dos principais riscos ambientais e de saúde, uma vez que, de acordo com a Agência Internacional de Investigação sobre o Cancro (IARC), os NARs contribuem significativamente para o risco de cancro do pulmão, bexiga e pâncreas, e no caso de crianças também trato urinário e cânceres neurológicos5,6.

O método mais popular para neutralizar NARs é a redução direta dos grupos –NO2 em –NH2. Tal abordagem é muito conveniente, uma vez que as aminas aromáticas (AMMs) são cruciais para a fabricação de produtos farmacêuticos em larga escala7,8. Porém, para que isso ocorra, a redução requer um catalisador e, como tal, a aplicação de nanoestruturas metálicas (NSs) como catalisadores é particularmente importante9. Os NS permitem a redução efetiva de NARs a AAMs em condições amenas. Isso fez dos nanocatalisadores (NCats) de NSs uma das direções científicas mais importantes [9, 10, 49]. Até o momento, a redução de NARs foi testada em vários NCats, incluindo AuNSs, AgNSs10, PtNSs e PdNSs11,12. Com base nesta pesquisa, os PtNSs e os PdNSs oferecem uma atividade extraordinária e única, levando à redução completa dos NARs - mesmo em pequenas quantidades dos NCats11,12. Portanto, espera-se que o nanomaterial pouco conhecido (NM): NSs de rênio (ReNSs) aumente significativamente a atividade catalítica dos NCats no sentido da redução dos NARs. A literatura e a prática fornecem inúmeras aplicações de alta tecnologia do Re em áreas como as indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica. O Re metálico é indispensável nos processos catalíticos relacionados ao aumento do número de octanas das gasolinas comerciais, bem como na síntese de Fisher-Tropsh e de amônia . A literatura também comprova que os NCats de ReNSs superaram os catalisadores PGM na decomposição de 4-nitroanilina17, nitrobenzeno, 4-nitrofenol, 2-nitroanilina, 2,4-dinitrofenol e 2,4,6-trinitrofenol18. Neste contexto, em nossos trabalhos anteriores revelamos uma atividade catalítica superior de NCats homogêneos e heterogêneos com ReNSs para a redução de 4-nitrofenol e 4-nitroanilina. No entanto, ReNSs são difíceis de serem obtidos. A literatura científica mundial fornece apenas alguns relatos sobre a produção de ReNSs. Isso inclui a síntese por injeção a quente de Co-ReNSs21, e também a produção de ReNSs usando abordagens de deposição de laser pulsado22, eletrodeposição23, radiação gama24 e deposição química de vapor25. Recentemente, propusemos duas novas abordagens para a síntese de NMs re-baseados. Isso incluiu a aplicação de sistemas de descarga de reação, bem como a adsorção acoplada à redução nas funcionalidades amino de uma resina de troca aniônica .