_ Sinteza guaninei oferă noi perspective asupra Rolul azotului în cataliza nanocarbonului

Recent, catalizatorii pe bază de carbon – în special nanocarburile dopate cu azot – au apărut ca alternative durabile și de încredere la catalizatorii metalici folosiți în mod tradițional pentru a susține reacțiile chimice.

Cercetătorii de la Laboratorul cheie de materiale funcționale avansate pe bază de carbon (Universitatea din provincia Fujian) de la Universitatea Fuzhou au sintetizat nanocarboni din molecule de guanină pentru a înțelege mai bine rolul precis pe care îl joacă azotul în materialele pe bază de carbon și pentru a explora mecanismele de reacție ale acestor sisteme catalitice.

Într-un studiu publicat recent, echipa de cercetare a clarificat modul în care diferite tipuri de azot pot modula activitatea de dehidrogenare oxidativă - un proces critic implicat în transformarea compușilor inerți în nanocarbon reactiv.

Studiul a fost publicat în jurnalul Carbon Future din 4 februarie.

„Studiul oferă îndrumări teoretice pentru crearea de catalizatori de carbon extrem de eficienți, care ar putea promova energiile curate convertite din resurse regenerabile în industrii precum plasticul, medicamentele și cauciucul”, a spus autorul studiului. Zailai Xie de la Universitatea Fuzhou.

Doparea materialelor de carbon cu heteroatomi precum azotul poate modifica proprietățile carbonului. Această practică a câștigat un interes semnificativ, conducând cercetătorii să investigheze posibilele beneficii. Dopajul cu azot, în special, s-a dovedit a fi o strategie extrem de eficientă în crearea de materiale avansate pentru captarea dioxidului de carbon, conversia energiei, stocarea energiei și alte aplicații.

În ciuda progreselor înregistrate în domeniul dopaj cu azot, există încă câteva întrebări cheie care rămân fără răspuns. De exemplu, performanța materialelor cu nanocarbon este influențată în mod semnificativ de grupurile funcționale de atomi de pe suprafață, dar, până acum, materialele cu nanocarbon prezintă grupuri funcționale de suprafață incontrolabile, ceea ce complică identificarea siturilor active pentru diferite tipuri de reacții.

„Acest comportament ne împiedică înțelegerea rolului intrinsec pe care dopanții de azot îl joacă în îmbunătățirea activității catalitice și în determinarea mecanismului catalitic”, a spus Xie.

Conform lui Xie, pentru a avansa în continuare domeniul azotului- cataliză nanocarbonică dopată, cercetătorii au nevoie de catalizatori mai controlați și mai bine caracterizați. Acest lucru le-ar permite cercetătorilor să izoleze efectele unor specii specifice de azot asupra performanței catalitice.

În urmărirea acestui obiectiv, echipa de cercetare a Universității Fuzhou a dezvoltat o metodă pentru a controla cu precizie grupurile funcționale de suprafață, în principal grupurile de oxigen și azot, în timpul generării catalizatorului nanocarbon.

Echipa a obținut un set de nanocarboni prin molecule de guanină auto-asamblate - un compus găsit în guano sau solzi de pește - și a expus materialul rezultat la căldură fără oxigen. Inspirându-se din autoasamblarea supramoleculară a componentelor biologice, cum ar fi guanina și nucleobazele înrudite, cum ar fi guanozina, această abordare sintetică oferă un mijloc intrigant de a genera nanomateriale ordonate.

Aceste molecule au stivuite π, legate de H, și alte situsuri de legare multiplex care facilitează formarea ansamblurilor supramoleculare funcționale. Guanina, fiind prezentă pe scară largă în structurile fotonice biogene ale diferitelor organisme vii, prezintă diverse forme și dimensiuni, inclusiv plăci hexagonale, plăci pătrate, poligoane neregulate și prisme.

Variațiile subtile ale morfologiei cristalelor de guanină. contribuie la fenomenele optice colorate observate la animale, cum ar fi solzii de pește, corpurile de păianjen și ochii animalelor. Cu toate acestea, controlul precis al morfologiei cristalelor de guanină biogene în organisme rămâne prost înțeles.

În ciuda proprietăților remarcabile ale cristalelor de guanină, producția artificială de cristale de guanină obișnuite care imită îndeaproape condițiile biologice și transformarea lor ulterioară în materiale funcționale de carbon nu a fost încă realizată în abordarea sintezei chimice.

„Carbonii sintetizați au prezentat proprietăți unice și interesante, inclusiv grupări de oxigen de suprafață relativ stabile și conținut ridicat de azot”, a spus Xie.

În plus, prezența legăturilor multiple de hidrogen în guanină a permis formarea de o nanofoaie bidimensională cu tipuri controlabile de dopanți de azot. Conținutul de azot poate fi reglat fin de la aproximativ 5% la 30 at%, în timp ce conținutul de oxigen poate fi menținut la un nivel constant de 4%.

„Această proprietate unică face din guanina un precursor ideal pentru dovada conceptului. pentru catalizatori model de construcție care pot duce la înțelegerea aprofundată a rolului dopanților cu conținut ridicat de azot în cataliza nanocarbonilor”, a spus Xie.

Pentru a investiga în continuare relațiile structură-funcție, echipa a testat reacțiile de dehidrogenare și hidrogenare. , în care moleculele de hidrogen sunt îndepărtate sau adăugate la o moleculă mai mare. Testele au demonstrat că diferite tipuri de azot din nanocarburi, și anume azotul grafitic și azotul piridinic, servesc ca modulatori donatori de electroni și, respectiv, atragători de electroni, care pot adapta activitatea de dehidrogenare oxidativă a nanocarburilor.

„Ca un catalizator eficient, fără metale, am dezvăluit rolurile dopanților de azot atât în ​​dehidrogenare, cât și în hidrogenare pentru prima dată”, a spus Xie. „Credem că descoperirile noastre oferă informații valoroase asupra mecanismelor de reacție fizico-chimică ale sistemelor catalitice de carbon dopate cu azot și oferă îndrumări teoretice pentru sinteza catalizatorilor de carbon extrem de eficienți.”

(Fluierul)