레늄 서브를 사용한 이종 촉매에 대한 니트로 방향족 화합물의 촉매 환원

Aug 18, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12789(2023) 이 기사 인용

니트로방향족 화합물(NAC)은 인위적으로 발생한 주요 오염물질이며 인간과 동물의 생명에 심각한 위협을 가합니다. Re 나노구조(NS)의 촉매 활성은 NS를 포함하는 다른 이종 촉매의 촉매 활성보다 상당히 높지만 NAC 수소화를 위한 Re 기반 나노촉매의 적용에 대한 연구는 거의 보고되지 않았습니다. 따라서, 여기서는 니트로벤젠(NB), 4-니트로페놀(4-NP), 2-니트로아닐린(2-NA), 4-니트로아닐린(4-NA) 및 2,4,6-트리니트로페놀(2, 4,6-TNP)에 대한 새로운 Re 기반 이종 촉매가 제안되었습니다. 촉매 물질은 특히 작은 Re 구조의 효과적인 합성과 안정화를 가능하게 하도록 설계되었습니다. 따라서 온화한 조건에서 NAC의 촉매 수소화는 Re 하위 나노구조(Re-sub-NS)에 의해 크게 향상되었습니다. 비스(3-아미노프로필)아민(BAPA)을 사용하여 Re를 안정화하여 얻은 촉매에 비해 NB, 4-NP, 2-NA, 4-NA 및 2,4,6-TNP 환원에 대한 가장 높은 유사 1차 속도 상수 )는 Re 농도가 16.7wt%인 Re-sub-NS를 초래했으며 각각 0.210, 0.130, 0.100, 0.180 및 0.090min-1이었습니다.

니트로방향족 화합물(NAC)은 인위적 기원의 주요 오염물질이기 때문에 이러한 화합물의 분해는 상당한 관심을 끌었습니다1,2. NAC는 발암성, 종양성, 독성, 유전독성 또는 생식독성을 갖고 있습니다1,3,4,5,6; 따라서 생태계의 모든 영역과 다양한 폐기물 소스 및 지속적인 자연에서 공통적으로 발생하는 것은 인간과 동물의 삶에 심각한 위협이 됩니다1,2,7. 따라서 NAC1,2,8,9를 효과적으로 교정하기 위해 상당한 노력이 이루어져 왔습니다. 온화한 조건에서의 촉매 환원은 NAC의 촉매 환원으로 인해 정밀 화학 제품이자 대규모 합성의 핵심 구성 요소 역할을 하는 방향족 아민(AAM)이 생성되므로 이와 관련하여 특히 중요합니다1,2,9,10,11 의약품8,12. 따라서, NAC 환원 효율을 증가시키는 새로운 촉매의 개발이 상당한 주목을 받고 있다10,11,13,14.

이러한 맥락에서, 금속 나노입자(NP)를 기반으로 한 촉매는 거대 동등물에 비해 표면적이 넓어 NAC의 전환을 크게 향상시키기 때문에 중요합니다. 최근 Re 나노구조(NS)를 기반으로 하는 신흥 나노물질(NM)은 이전에 보고된 Au 및 Pt 그룹 금속을 기반으로 하는 NP에 대한 매력적인 대안으로 인식되었습니다. Re는 주로 0(금속), +3, +4, +6 및 +7과 같은 수많은 산화 상태로 인해 촉매 공정에 독특한 화학을 제공합니다. 다른 금속과 비교하여 Re는 이러한 산화 상태에서 안정적인 종을 형성하여 다음을 나타냅니다. 수소화 반응의 촉매 활성16,17. 그럼에도 불구하고 이와 관련하여 보고된 연구는 거의 없으며 이러한 연구 결과는 ReNS, ReO, O-도핑된 ReNS 및 이들 물질의 혼합물이 NAC의 균질 및 이종 촉매 환원에 특히 유용하다는 것을 의미합니다. 20,21,22. 이러한 몇 가지 예는 ReNS가 니트로벤젠(NB)21, 4-NP19,20,21,22,23,24, 2-니트로아닐린(2-NA)21, 4-NA19와 같은 NAC의 감소에서 우수한 촉매 활성을 나타냄을 나타냅니다. ,21,22, 2,4,-디니트로페놀 및 2,4,6-트리니트로페놀(2,4,6-TNP)21.

Re가 초소형 NS(< 2nm)를 형성하는 경향은 Re 기반 나노촉매의 유망한 측면 중 하나입니다. 이러한 NS의 개발은 이러한 NS의 다양한 촉매 화학으로 인해 Re 기반 나노촉매(NCat)의 촉매 활성을 크게 향상시킬 수 있으며 광범위한 촉매 활성 Re 종이 생성될 수 있어 Re 기반 NM이 다음을 위한 완벽한 후보가 될 수 있습니다. NAC의 효율적인 수소화. 그러나 가장 작은 ReNS를 NCat으로 적용하고 사용되는 촉매 시스템을 평가하는 것은 어렵습니다. 이러한 시스템을 개발하는 동안 직면하게 되는 장애물에는 NS의 제한된 안정성과 원자 산소 및 활성 산소종21,23,24과 반응하는 민감성이 포함됩니다. 이는 ReNS의 형태학에 대한 적용, 액세스 및 설계를 어렵게 만듭니다. 이러한 문제는 ReNS를 합성하고, 제한하고, 폐색할 수 있는 행렬을 사용하여 극복할 수 있습니다. 이 전략은 ReNS의 안정화를 촉진하고 반응성 사이트와 대기 O2 간의 직접적인 접촉을 방해합니다. 그럼에도 불구하고, 이 전략은 반응 환경에 용해된 O2가 Re0NPs22를 산화시키기에 충분하여 준비된 NCat의 촉매 활성을 감소시키기 때문에 완전히 만족스럽지 않습니다. 따라서 우리는 다양한 산화 상태에서 촉매 활성 Re 종의 혼합물로 ReNS를 준비하는 대체 접근법을 제안했습니다. 그런 다음 우리는 나노미터 이하의 크기에 도달할 수 있는 O 도핑된 ReNS를 합성하고 캡핑함으로써 NCat의 촉매 활성(의도된 O 도핑 효과로 인해 발생)의 감소를 방지할 수 있다고 제안했습니다. 이 접근 방식을 통해 일반적으로 적용하기 어려운 하위 나노구조(sub-NS)를 편리하게 사용할 수 있으며 ReNS 기반 NCat의 개발 및 사용 중에 발생할 수 있는 Re의 O-도핑 효과를 피할 수 있습니다.