Jul 27, 2023
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Scientific Reports volume 13, numero articolo: 10123 (2023) Cita questo articolo 409 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche I difetti del link mancante di UiO-66 sono stati sfruttati per ancorare covalentemente Cu
Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10123 (2023) Citare questo articolo
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I difetti del linker mancante di UiO-66 sono stati sfruttati per ancorare covalentemente i nanocluster di Cu (Cu/UiO-66). Le interazioni molecolari tra i metalli e gli ossidi come interfacce rame-zirconio in Cu/UiO-66 sono essenziali per la catalisi eterogenea, portando a notevoli impatti sinergici sull'attività e sulla selettività. Il nanocomposito di ossidi metallici misti carboniosi (CuO/ZrO2@C) distribuito in modo omogeneo è stato preparato tramite carbonizzazione del Cu/UiO-66 a 600 °C per 3 ore in aria. Per migliorare le proprietà di acidità del nanocomposito CuO/ZrO2@C, è stata aggiunta una piccola quantità di acido solforico e riscaldata a 150 °C in atmosfera di N2 (CuO/ZrO2-SO3H@C). I catalizzatori Cu/UiO-66 e CuO/ZrO2-SO3H@C sintetizzati sono stati utilizzati come nuovi catalizzatori nella riduzione del 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP). I catalizzatori Cu/UiO-66 e CuO/ZrO2-SO3H@C hanno mostrato una conversione completa della soluzione 4-NP durante l'agitazione (4 e 2 minuti) rispettivamente a temperatura ambiente. Questi due catalizzatori hanno mostrato un elevato tasso di riduzione rispettivamente di 8,61 × 10–3 s−1 e 18,3 × 10–3 s−1. L'analisi spettroscopica fotoelettronica a raggi X (XPS) ha mostrato che la carica degli atomi di rame nel catalizzatore Cu/UiO-66 era Cu0/CuII e nel catalizzatore CuO/ZrO2-SO3H@C era CuI/CuII con quasi lo stesso rapporto (65 /35). La dimensione delle particelle e la composizione elementare del catalizzatore CuO/ZrO2-SO3H@C sono state analizzate utilizzando rispettivamente la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HR-TEM), la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) e la mappatura elementare. Il punto chiave oltre all'elevata attività catalitica e selettività del catalizzatore CuO/ZrO2-SO3H@C è sia la struttura di eterogiunzione degli ossidi di carbonio-metallo che porta ad una buona dispersione di CuO e ZrO2 sui fogli di carbonio, sia le proprietà di elevata acidità che provengono dalla combinazione tra i siti acidi di Brønsted dell'acido solforico e i siti acidi di Lewis dell'UiO-66. I catalizzatori hanno mostrato una buona efficienza di riciclabilità senza perdite significative di attività, indicando il loro buon potenziale per le applicazioni industriali.
Nelle interfacce metallo-ossido metallico, i confini di fase producono strutture elettroniche distinte nonché legame del substrato, reattività e attività catalitica eterogenea1. Le nanoparticelle di Cu supportate su ZrO2 hanno attirato l'attenzione per la loro elevata attività e selettività per la conversione di CO2 in metanolo2 e la dissociazione dell'idrogeno2. Recentemente, il nodo di ossido atomicamente preciso di una struttura metallo-organica (UiO-66) è stato utilizzato come supporto per i cluster di Cu per garantire la prossimità a livello molecolare1. L'UiO-66 con nodi di ossido parzialmente sottocoordinati contenenti sei cationi Zr viene utilizzato come supporto per cluster di Cu di varia nuclearità3. Al contrario, il drogaggio convenzionale di nanoparticelle di Cu su supporto ZrO2 non consente variazioni controllate dell'interfaccia e della nuclearità del metallo a causa della diversità intrinseca della superficie dell'ossido e della porosità irregolare1. Grazie alle proprietà uniche dei MOF come un'ampia area superficiale, porosità regolabile e una varietà di strutture, nonché buone proprietà superficiali come elevata acidità e basicità. Possono essere utilizzati per produrre nanomateriali di carbonio, ossidi metallici, fosfuri metallici, calcogenuri metallici e carburi metallici, tra gli altri materiali nanostrutturati4,5.
I composti nitroaromatici, come i derivati del nitrofenolo, sono intermedi critici in una varietà di settori, medicinali, produzione di carta, fungicidi, prodotti petrolchimici, pesticidi, esplosivi, conservanti, insetticidi, coloranti, cuoio e legno6,7. Tuttavia, secondo la US Environmental Protection Agency (EPA), i derivati del nitrofenolo come il 4-nitrofenolo (4-NP) sono identificati come una sorta di inquinante organico e inquinanti non biodegradabili8, inoltre i derivati del nitrofenolo hanno effetti tossici sul sistema nervoso sistema, visceri e sangue di esseri umani e animali9. Per degradare i nitrofenoli sono stati sviluppati diversi metodi, tra cui il metodo elettro-Fenton10, la degradazione fotocatalitica11 e il metodo elettrochimico12. La riduzione del 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP) è una reazione importante13,14, poiché il 4-amminofenolo viene utilizzato per sintetizzare diversi composti importanti come farmaci, prodotti chimici della gomma e coloranti15.