TOKIO, Japón — Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han descubierto pistas importantes sobre el funcionamiento de los catalizadores de «un solo átomo» basados ​​en sitios de hierro-piridina en una matriz de carbono. Primero desarrollaron un método de síntesis nuevo y simple para un catalizador que activa el peroximonosulfato, que es muy eficaz para descomponer los contaminantes que no son fácilmente biodegradables. Descubrieron que los centros de hierro en el estado de alto giro están fuertemente correlacionados con el rendimiento del catalizador, gracias a dos vías químicas distintas.

Crédito de la foto: Universidad Metropolitana de Tokio,
entorno ACS. Ciencia. tecnología 2022, DOI: 10.1021/acs.est.1c05980

TOKIO, Japón — Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han descubierto pistas importantes sobre el funcionamiento de los catalizadores de «un solo átomo» basados ​​en sitios de hierro-piridina en una matriz de carbono. Primero desarrollaron un método de síntesis nuevo y simple para un catalizador que activa el peroximonosulfato, que es muy eficaz para descomponer los contaminantes que no son fácilmente biodegradables. Descubrieron que los centros de hierro en el estado de alto giro están fuertemente correlacionados con el rendimiento del catalizador, gracias a dos vías químicas distintas.

El mundo está lleno de productos químicos sintéticos útiles, ya sean disolventes domésticos, productos farmacéuticos o fertilizantes. Pero con él, una gama similar de contaminantes ha entrado en nuestro medio ambiente, en detrimento tanto de los ecosistemas como de nuestro propio bienestar. En particular, una clase de contaminantes conocidos como compuestos orgánicos «refractarios» es motivo de especial preocupación. No son fácilmente biodegradables y persisten en el medio ambiente durante largos períodos de tiempo. Por lo tanto, las estrategias efectivas de eliminación o degradación en las corrientes de aguas residuales son muy importantes.

Los científicos han intentado desarrollar catalizadores efectivos para ayudar a descomponer los contaminantes refractarios dañinos. Un tipo prometedor de catalizador es el catalizador de «átomo único» (SAC), en el que los átomos de metal se distribuyen uniformemente en una matriz de átomos de carbono. La incorporación de hierro es particularmente prometedora ya que los resultados son económicos, no tóxicos y muy efectivos. Sin embargo, a pesar de las demostraciones de laboratorio, los SAC siguen siendo difíciles de fabricar y el mecanismo por el cual funcionan sigue sin estar claro.

Ahora, un equipo dirigido por el profesor asociado Shiro Kubuki de la Universidad Metropolitana de Tokio ha desarrollado con éxito un método simple para fabricar SAC con sitios de piridina de hierro (hierro rodeado por cuatro átomos de nitrógeno) incorporados en capas de carbono. Basándose en la pirólisis, la descomposición y recombinación de sustancias químicas usando calor, el equipo tomó precursores de hierro en estructuras tridimensionales complejas conocidas como estructuras de óxido de metal (MOF), las molió junto con melamina y las calentó a temperaturas en una atmósfera inerte sobre 500 grados centígrados. Al activar el peroximonosulfato, un agente oxidante común, demostraron ser muy efectivos para eliminar contaminantes como el bisfenol A (BPA), un químico que se encuentra comúnmente en resinas y plásticos.

En su trabajo, el equipo descubrió que los catalizadores fabricados de diferentes maneras tenían una eficacia diferente. Usando una técnica experimental llamada espectroscopia de Mössbauer y cálculo de la teoría funcional de la densidad, estudiaron el estado de los sitios de piridina de hierro en diferentes lotes. Curiosamente, encontraron una fuerte correlación entre la presencia de estados de Fe(ii) y Fe(iii) de alto espín y la eficacia del catalizador. “High-spin” se refiere a la forma específica en que los electrones llenan los orbitales de alta energía alrededor del hierro; La interacción entre el hierro y los objetos circundantes ayuda a crear estados de «giro alto» y «giro bajo» que se comportan de manera diferente. Usando técnicas computacionales, determinaron por primera vez que en realidad hay dos formas distintas en las que los estados de alto espín pueden ayudar a que ocurran las reacciones. Los sitios de Fe (ii) interactuaron fuertemente con el peroximonosulfato para generar radicales hidroxilo altamente reactivos; Los sitios de Fe(iii), por otro lado, formaron grupos conocidos como complejos de Fe(V)-O, que a su vez ayudaron a descomponer los contaminantes orgánicos.

Combinando conocimientos mecánicos y una forma sencilla de fabricar SAC, el equipo espera que esta tecnología se utilice más ampliamente en los sistemas de tratamiento de aguas residuales del mundo real y en los esfuerzos de limpieza ambiental.

Este trabajo fue apoyado por el Fondo de Recursos Humanos de Tokio para la Diplomacia de la Ciudad (H29-1).


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