Los catalizadores basados en nanomateriales suelen ser catalizadores heterogéneos fragmentados en nanopartículas metálicas para mejorar el proceso catalítico. Las nanopartículas metálicas tienen una gran superficie , lo que puede aumentar la actividad catalítica. Los catalizadores de nanopartículas se pueden separar y reciclar fácilmente. [1] [2] [3] Por lo general, se utilizan en condiciones suaves para evitar la descomposición de las nanopartículas. [4]
Las nanopartículas metálicas funcionalizadas son más estables frente a los disolventes en comparación con las nanopartículas metálicas no funcionalizadas. [5] [6] En líquidos, las nanopartículas metálicas pueden verse afectadas por la fuerza de van der Waals . La agregación de partículas a veces puede disminuir la actividad catalítica al reducir el área de superficie. [7] Las nanopartículas también se pueden funcionalizar con polímeros u oligómeros para estabilizar estéricamente las nanopartículas al proporcionar una capa protectora que evita que las nanopartículas interactúen entre sí. [8] Las aleaciones de dos metales, llamadas nanopartículas bimetálicas, se utilizan para crear efectos sinérgicos en la catálisis entre los dos metales. [9]
Los catalizadores de nanopartículas son activos para la hidrogenólisis de enlaces C-Cl como los bifenilos policlorados . [5] [6] Otra reacción es la hidrogenación de aminas aromáticas halogenadas , que también es importante para la síntesis de herbicidas y pesticidas , así como de combustible diésel . [5] En química orgánica , la hidrogenación de un enlace C-Cl con deuterio se utiliza para marcar selectivamente el anillo aromático para su uso en experimentos que tratan el efecto isotópico cinético . Buil et al. crearon complejos de rodio que generaron nanopartículas de rodio. Estas nanopartículas catalizaron la deshalogenación de compuestos aromáticos, así como la hidrogenación de benceno a ciclohexano . [6] Las nanopartículas estabilizadas con polímeros también se pueden utilizar para la hidrogenación de cinamaldehído y citronelal . [5] [7] [10] [9] Yu et al. Se descubrió que los nanocatalizadores de rutenio son más selectivos en la hidrogenación de citronelal en comparación con los catalizadores tradicionales utilizados. [9]
La reducción de complejos organometálicos de oro , cobalto , níquel , paladio o platino con silanos produce nanopartículas metálicas que catalizan la reacción de hidrosililación. [11] Las nanopartículas de paladio y las nanopartículas de oro funcionalizadas con BINAP se han utilizado para la hidrosililación de estireno en condiciones suaves; se ha descubierto que son más activas catalíticamente y más estables que los complejos de Pd-BINAP no nanopartículas. [11] [12] La reacción también puede ser catalizada por una nanopartícula que consta de dos metales. [5] [13]
En la figura 3 se muestra una reacción de oxidación para formar ácido adípico , que puede ser catalizada por nanopartículas de cobalto. [5] Esto se utiliza a escala industrial para producir el polímero de nailon 6,6 . Otros ejemplos de reacciones de oxidación catalizadas por nanopartículas metálicas incluyen la oxidación del ciclooctano , la oxidación del eteno y la oxidación de la glucosa . [5]
Las nanopartículas metálicas pueden catalizar reacciones de acoplamiento C–C como la hidroformilación de olefinas , [5] la síntesis de vitamina E y las reacciones de acoplamiento de Heck y de Suzuki . [5]
Se ha descubierto que las nanopartículas de paladio catalizan eficazmente las reacciones de acoplamiento de Heck. Se ha descubierto que el aumento de la electronegatividad de los ligandos en las nanopartículas de paladio aumenta su actividad catalítica. [5] [14]
El compuesto Pd2 ( dba) 3 es una fuente de Pd(0), que es la fuente catalíticamente activa de paladio utilizada para muchas reacciones, incluidas las reacciones de acoplamiento cruzado . [4] Se pensaba que Pd2(dba)3 era un precursor catalítico homogéneo , pero artículos recientes sugieren que se forman nanopartículas de paladio, lo que lo convierte en un precursor catalítico heterogéneo. [4]
Las nanopartículas de óxido de hierro y cobalto se pueden cargar en varios materiales activos de superficie como la alúmina para convertir gases como el monóxido de carbono y el hidrógeno en combustibles de hidrocarburos líquidos utilizando el proceso Fischer-Tropsch . [15] [16]
Gran parte de la investigación sobre catalizadores basados en nanomateriales tiene que ver con maximizar la eficacia del recubrimiento del catalizador en las celdas de combustible. El platino es actualmente el catalizador más común para esta aplicación, sin embargo, es caro y poco común, por lo que se han realizado muchas investigaciones para maximizar las propiedades catalíticas de otros metales reduciéndolos a nanopartículas con la esperanza de que algún día sean una alternativa eficiente y económica al platino. Las nanopartículas de oro también exhiben propiedades catalíticas , a pesar del hecho de que el oro a granel no es reactivo.
Se descubrió que las nanopartículas de circonio estabilizadas con itrio aumentan la eficiencia y la confiabilidad de una celda de combustible de óxido sólido . [17] [18] Los catalizadores de nanomateriales de rutenio/platino podrían usarse potencialmente para catalizar la purificación de hidrógeno para el almacenamiento de hidrógeno . [19] Las nanopartículas de paladio se pueden funcionalizar con ligandos organometálicos para catalizar la oxidación de CO y NO para controlar la contaminación del aire en el medio ambiente . [17] Los catalizadores soportados por nanotubos de carbono se pueden usar como soporte catalítico de cátodo para celdas de combustible y se han usado nanopartículas metálicas para catalizar el crecimiento de nanotubos de carbono . [17] Las nanopartículas bimetálicas de platino-cobalto combinadas con nanotubos de carbono son candidatos prometedores para celdas de combustible de metanol directo , ya que producen un electrodo de corriente más estable . [17]
En química magnética , las nanopartículas se pueden utilizar como soporte de catalizadores para uso medicinal.
Además de la catálisis convencional, se han explorado nanomateriales para imitar enzimas naturales. Los nanomateriales con actividades de imitación de enzimas se denominan nanozimas . [20] Se han utilizado muchos nanomateriales para imitar variedades de enzimas naturales, como oxidasa, peroxidasa, catalasa, SOD, nucleasa, etc. Las nanozimas han encontrado amplias aplicaciones en muchas áreas, desde la biodetección y la bioimagen hasta la terapéutica y el tratamiento del agua.
Los nanocatalizadores son de gran interés en las pilas de combustible y los electrolizadores, donde el catalizador afecta fuertemente a la eficiencia.
En las pilas de combustible, los materiales nanoporosos se utilizan ampliamente para fabricar cátodos. Las nanopartículas porosas de platino tienen una buena actividad en la nanocatálisis, pero son menos estables y su vida útil es corta. [21]
Una desventaja del uso de nanopartículas es su tendencia a aglomerarse. El problema se puede mitigar con el soporte de catalizador adecuado . Las nanopartículas son estructuras óptimas para ser utilizadas como nanosensores porque se pueden ajustar para detectar moléculas específicas. Los ejemplos de nanopartículas de Pd electrodepositadas en nanotubos de carbono de paredes múltiples han demostrado una buena actividad hacia la catálisis de reacciones de acoplamiento cruzado. [22]
Los nanocables son muy interesantes para fines electrocatalíticos porque son más fáciles de producir y el control sobre sus características en el proceso de producción es bastante preciso. Además, los nanocables pueden aumentar la eficiencia faradaica debido a su extensión espacial y, por lo tanto, a una mayor disponibilidad de reactivos en la superficie activa. [23]
Las nanoestructuras involucradas en los procesos de electrocatálisis pueden estar compuestas por diferentes materiales. Mediante el uso de materiales nanoestructurados, los electrocatalizadores pueden lograr una buena estabilidad físico-química, alta actividad, buena conductividad y bajo costo. Los nanomateriales metálicos están compuestos comúnmente por metales de transición (principalmente hierro, cobalto, níquel, paladio, platino). Los nanomateriales multimetálicos muestran nuevas propiedades debido a las características de cada metal. Las ventajas son el aumento de la actividad, la selectividad y la estabilidad y la reducción de costos. Los metales se pueden combinar de diferentes maneras, como en la estructura bimetálica núcleo-capa: el metal más barato forma el núcleo y el más activo (típicamente un metal noble) constituye la capa. Al adoptar este diseño, el uso de metales raros y costosos se puede reducir hasta un 20%. [24]
Uno de los retos futuros es encontrar nuevos materiales estables, con buena actividad y sobre todo de bajo coste. Los vidrios metálicos , el nitruro de carbono polimérico (PCN) y los materiales derivados de estructuras metalorgánicas (MOF) son sólo algunos ejemplos de materiales con propiedades electrocatalíticas en los que se está invirtiendo actualmente en investigación. [25] [26] [27]
Muchos de los sistemas fotocatalíticos pueden beneficiarse del acoplamiento con un metal noble; la primera celda Fujishima-Honda también utilizó una placa de cocatalizador. Por ejemplo, el diseño esencial de un reactor fotocatalítico disperso para la división de agua es el de un sol de agua en el que la fase dispersa está formada por puntos cuánticos semiconductores , cada uno acoplado a un cocatalizador metálico: el QD convierte la radiación electromagnética entrante en un excitón mientras que el cocatalizador actúa como un captador de electrones y reduce el sobrepotencial de la reacción electroquímica. [28]
Algunas técnicas que se pueden utilizar para caracterizar catalizadores de nanomateriales funcionalizados incluyen espectroscopia fotoelectrónica de rayos X , microscopía electrónica de transmisión , espectroscopia de dicroísmo circular , espectroscopia de resonancia magnética nuclear , espectroscopia UV-visible y experimentos relacionados.