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(noticias nanowerk) Los fertilizantes sintéticos, uno de los avances más importantes de la agricultura moderna, han permitido a muchos países garantizar un suministro estable de alimentos. Entre ellas, las ureas orgánicas (u organoureas) se han convertido en importantes fuentes de nitrógeno para los cultivos. Debido a que estos compuestos no se disuelven inmediatamente en agua, sino que los microorganismos del suelo los descomponen lentamente, proporcionan un suministro de nitrógeno estable y controlado, que es crucial para el crecimiento y la función de las plantas.
Sin embargo, los métodos tradicionales de síntesis de ureas orgánicas son perjudiciales para el medio ambiente porque utilizan sustancias tóxicas como el fosgeno. Aunque se han demostrado estrategias sintéticas alternativas, se basan en metales preciosos caros y escasos o utilizan catalizadores que no se pueden reutilizar fácilmente.
En un intento reciente de abordar estos desafíos, un equipo de investigación que incluye al profesor honorario Hideo Hosono del Instituto de Tecnología de Tokio (Japón) ha aprovechado las propiedades cuánticas del seleniuro de bismuto (Bi).2sí3) para la síntesis de organoureas. Su estudio será publicado en Avances científicos (“Aislante topológico como catalizador eficiente para la carbonilación oxidativa de aminas”).
![Uso de materiales cuánticos como catalizadores para la síntesis de fertilizantes.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63708_1.jpg)
Los investigadores intentaron explotar el hecho de que Bi2sí3 es un aislante topológico. Su superficie extremadamente robusta tiene propiedades electrónicas únicas, lo que la convierte en un candidato lucrativo para aplicaciones catalíticas. En consecuencia, el Equipo Bi preparó2sí3 Nanopartículas para maximizar la superficie del catalizador. Utilizaron la dureza de su superficie y sus grandes interacciones entre órbita y espín para producir diversos derivados orgánicos de urea a partir de dos moléculas de amina, así como monóxido de carbono (CO) y oxígeno (O).2), consiguiendo en muchos casos un rendimiento cercano al 100% a temperatura ambiente.
Para dilucidar el mecanismo de reacción, el equipo examinó los estados superficiales de Bi2sí3 mediante simulaciones moleculares. Uno de los pasos clave en el proceso de síntesis fue la eliminación del átomo de hidrógeno de las aminas para que luego pudieran unirse entre sí mediante un grupo –CO. Los investigadores encontraron que O2 Las moléculas se unen de forma estable a los átomos de Bi en la superficie (015) de Bi.2sí3, que cambia su estado de espín de triplete a singlete. Esto hace que la O2 para disociar moléculas. Los grupos de oxígeno disociados adsorbidos eliminan el hidrógeno de las aminas unidas a Se y permiten así la reacción CO-amina.
“Encontramos que el estado de espín de O2 La molécula se convierte de un triplete a un singlete mediante el campo magnético local que surge de la fuerte interacción espín-órbita de Bi y el singlete O.2 con una reactividad mucho mayor, elimina el hidrógeno de la amina y, por lo tanto, reduce la barrera energética para la reacción deseada”, explica el profesor Hosono. «Este efecto catalítico es el resultado de las propiedades únicas de los materiales topológicos y la selección apropiada de elementos de Bi y Se para esta reacción».
La actividad del Bi2sí3 El rendimiento del catalizador superó el de otros compuestos que contienen Se, así como el de la mayoría de los catalizadores existentes basados en metales de transición. La superficie de las nanopartículas catalíticas propuestas también era notablemente estable gracias a sus propiedades topológicas. “La reciclabilidad de un catalizador es una de sus propiedades más importantes para aplicaciones prácticas. La propuesta Bi2sí3 El catalizador se pudo reutilizar al menos 20 veces sin ninguna pérdida aparente de actividad catalítica, mientras que los rendimientos de otros catalizadores basados en Se siguieron disminuyendo”, subraya el profesor Hosono.
Este trabajo innovador no solo proporciona una solución viable a los desafíos asociados con la síntesis de urea, sino que también demuestra el potencial de aprovechar propiedades cuánticas específicas de materiales para diversas aplicaciones novedosas, incluidas prácticas agrícolas sostenibles.
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