Los materiales a base de carbono tienen varias cualidades que los hacen atractivos como catalizadores para acelerar las reacciones químicas. Son de bajo costo, livianos y su gran área de superficie proporciona un buen andamio sobre el cual anclar los catalizadores, manteniéndolos estables y dispersos, al mismo tiempo que proporciona a las moléculas una gran área de superficie para trabajar. Esto hace que los carbones sean útiles para el almacenamiento de energía y sensores. Durante los últimos 10 años, los carbones se han utilizado en electroquímica para catalizar reacciones para fabricar productos químicos y celdas de combustible.

Sin embargo, en un trabajo publicado recientemente en Nature Communications, Dion Vlachos de la Universidad de Delaware e investigadores del Centro de Catálisis para la Innovación Energética (CCEI), con colaboradores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, hicieron algunos hallazgos sorprendentes mientras desarrollaban técnicas para comprender mejor el papel que juega el oxígeno en el rendimiento de los catalizadores basados ​​en carbono.

Según Vlachos, lo que encontraron puso patas arriba algo de lo que sabían sobre química.

No todos los oxígenos son iguales.

A pesar de su utilidad, los carbonos no se comprenden bien. Tampoco son uniformes. Los materiales de carbono a veces contienen oxígeno, y este oxígeno puede presentarse en múltiples formas diferentes, como alcohol, aldehído, cetona o ácido. Una pregunta abierta es qué hace el oxígeno en estos materiales de carbono.

Entonces, Vlachos y un equipo de investigadores tomaron moléculas de carbono e introdujeron sistemáticamente más y más oxígeno, luego caracterizaron el material resultante utilizando técnicas espectroscópicas para medir cuánto y qué tipo de oxígeno estaba presente. Los investigadores hicieron esto para una biblioteca de alrededor de 10 a 15 materiales, luego realizaron reacciones utilizando los diferentes carbonos oxigenados. Esto les permitió correlacionar la reactividad del material de carbono con la cantidad y el tipo de oxígeno presente utilizando herramientas de aprendizaje automático.

El trabajo del equipo mostró una conexión entre la cantidad y el tipo de oxígeno presente y el rendimiento, incluido qué oxígenos son más activos. Contrariamente a la intuición, los investigadores también encontraron algo sorprendente: los efectos de largo alcance de los anillos aromáticos lejos de un sitio de catalizador a veces pueden hacer que los grupos de alcohol del carbono se vuelvan más ácidos que los grupos funcionales de carbono ácidos familiares que se encuentran en los ácidos pequeños de química orgánica.

Al principio, los investigadores se sorprendieron, pero luego hicieron algunos cálculos y confirmaron que el efecto se debía a los carbonos oxigenados a base de alcohol en los anillos aromáticos.

« El carbono tiene anillos aromáticos », dijo Vlachos, presidente de Unidel Dan Rich en Energía y director de CCEI, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. « Y cuantos más anillos de carbono se agreguen a un material, mayor será la posibilidad de crear un fenómeno regional donde los efectos de largo alcance desde lejos pueden tener un efecto de control sobre la actividad de los sitios catalizadores ».

Este no es el caso de la química de catálisis típica, donde el efecto es muy local. Por ejemplo, el bono A afecta al bono B y eso es todo.

« Todo el pensamiento de la química está al revés. Esto no se esperaba », agregó.

En términos de aplicaciones, Vlachos dijo que esto significa que si los investigadores quieren crear un catalizador de carbono más ácido, necesitarán usar más grupos funcionales de alcohol, en este caso, hidroxilos.

Los investigadores utilizaron técnicas avanzadas para validar los resultados del modelo matemático y caracterizar lo que sucedería con el oxígeno en los materiales en condiciones casi reales, mientras ocurría la química.

« El equipo de la Universidad de Delaware logró una hazaña impresionante mediante el uso de herramientas y métodos avanzados para desentrañar un sistema catalítico complicado », dijo Anibal Boscoboinik, científico de materiales del Centro de Nanomateriales Funcionales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. « Estamos encantados de haber participado en este importante logro mediante la realización de mediciones utilizando un tipo especial de espectroscopia en el Centro de Nanomateriales Funcionales ».

Con esta nueva metodología para determinar qué está haciendo cada parte de la química, el equipo de investigación puede probar diferentes técnicas para fabricar materiales para ver qué enfoque tiene el mejor efecto. Por ejemplo, ¿todas las moléculas de oxígeno son igualmente eficaces para acelerar las reacciones catalíticas o algunas son mejores que otras? Vlachos también tiene curiosidad por saber si la fuente de oxígeno se puede usar para dispersar metales para reacciones. Los métodos tradicionales para introducir oxígeno en una reacción para fabricar materiales son corrosivos, por lo que encontrar formas más ecológicas de hacerlo podría acercar la realización de procesos más sostenibles.

Jiahua Zhou y Piaoping Yang, estudiantes de doctorado en ingeniería química y biomolecular, se desempeñaron como coautores principales del artículo. El director de CCEI, Dion Vlachos, y Weiqing Zheng, director asociado de CCEI, se desempeñaron como co-investigadores principales del proyecto. Los coautores de UD incluyen a Stavros Caratzoulas, Pavel A. Kots y Caitlin M. Quinn. Otros coautores colaboradores incluyen a Matheus Dorneles de Mello y J. Anibal Boscoboinik del Laboratorio Nacional de Brookhaven, y Ying Chen, Maximilian Cohen y Wendy J. Shaw, del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.