Catalisadores híbridos de clusters de óxido metálico@MOF: síntese via deposição por camada atômica e aplicação na oxidação catalítica de metano

Resumo

De acordo com uma perspectiva recente sobre a valorização catalítica direta do metano usando catálise heterogênea, MOFs oferecem a versatilidade estrutural desejada para permitir um ajuste fino de suas propriedades químicas para simular sítios ativos e arredores de enzimas oxidativas (metanemonooxigenases), que são os catalisadores mais seletivos para a transformação de metano em metanol. Esta abordagem holística, no entanto, não será isenta de desafios, especialmente quando se considera também a ativação oxidante. Provavelmente exigirá um mecanismo de ativação oxidante onde o fator chave estará no controle do caráter eletrofílico do átomo ativante O, e direcionando-o para uma melhor captação do átomo de hidrogênio do CH4, embora seja possível regenerar esses sítios usando agentes oxidantes baratos. A seletividade desses catalisadores terá que ser controlada pelos arredores do sítio ativo. Por exemplo, clusters de óxido de cobre sintetizados via deposição de camada atômica (ALD) nos nós da MOF NU-1000 são ativos para a oxidação do metano a metanol sob condições de reação moderadas. Os produtos obtidos, metanol, éter dimetílico e CO2, podem ser facilmente dessorvidos com a passagem de 10% de água/He a 135°C, dando uma seletividade de carbono do metano para metanol de 45-60%. No entanto, a atividade obtida não é alta (normalmente 50 ¼mol de produtos oxigenados/g MOF), sugerindo que outros catalisadores baseados em MOFs mais eficientes e adaptados devem ser desenvolvidos e aplicados para a oxidação direta de metano para metanol. Assim, neste sub-projeto, propomos o desenho, a síntese por deposição de camada atômica e a avaliação catalítica de novos materiais híbridos de clusters de óxido metálico@MOF. Síntese e caracterização completa de novos catalisadores híbridos compostos de óxidos metálicos ou clusters (baseados em Cu, Fe, V, Al, Ga) depositados nos nós da MOF modelo, como NU-1000, serão executados. Outras MOFs promissores incorporando nós de Cu ou Fe (ou heterometálicos) também serão explorados como matrizes de suporte. Os catalisadores híbridos obtidos serão testados na oxidação seletiva de metano a metanol, usando ar/O2 e/ou H2O2 como oxidantes. Uma biblioteca de ligantes orgânicos (imadazol, piridina, pirazina e derivados do ácido carboxílico) serão explorados como ligantes potenciais (com uma função catalítica promotora reconhecida) para a incorporação na estrutura de um MOF. Os catalisadores e sistemas catalíticos mais promissores serão totalmente otimizados. (AU)