Applicazioni

Le caratteristiche dei materiali mesoporosi di origine silicea ha permesso lo sviluppo di processi catalitici che vedono indispensabile un'elevata stabilità termica, regolarità dei canali mesoporosi ed un'elevata area superficiale.

Per poter utilizzare questi materiali come catalizzatori e non unicamente come supporti per i metalli sono stati sostituiti atomi di silicio con metalli di transizione allo scopo di formare sistemi ibridi dove risulta possibile la catalisi di reazioni nelle quali è richiesta la presenza di una funzionalità acida oppure di reazioni di ossidazione.

Nell'ossidazione, i sistemi di MCM-41 contenenti Ti, V e/o Cr hanno mostrato elevate attività catalitiche. In particolare a livello industriale è stato implementato il processo che prevede l'idrossilazione del 2,6-DTBP (diterbutil perossido) con H2O2 che utilizza

materiali mesoporosi contenenti Ti aumentando la conversione di questi sistemi di circa 60% rispetto al catalizzatore tradizionale a base di TiO2[20].

La catalisi acida nelle MCM-41 è legata alla petrolchimica ed in particolare per le reazioni di cracking e idrocracking. Nel cracking del gasolio, si è rivelata fondamentale la caratteristica mesoporosità del sistema, mentre per il cracking del TIPB (1,3,5- triisopropilbenzene), i sistemi Pt,Al/MCM-41 hanno mostrato un’elevata attività catalitica[21,22].

Nell'idrocracking di benzine, solitamente vengono utilizzate delle zeoliti modificate con metalli come Ni, W o Pt, questi sistemi sono allumino-silicati microporosi con canali ordinati simili all'MCM-41. Recentemente, sono stati investigati nuovi sistemi che prevedono l’aggiunta di materiale zeolitico all’MCM-41. In questo modo il supporto è capace di assorbire i metalli nella frazione mesoporosa mentre la fase zeolitica protonata fornisce i siti acidi necessari alla reazione di cracking.

Sistemi catalitici basati su MCM-41 presentano applicazioni anche nel campo della catalisi basica. In particolare, sistemi di MCM-41 contenenti sodio e/o cesio forniscono un’elevata attività catalitica per la condensazione di Knoevenagel della benzaldeide in presenza di cianoacetati[23].

Più in generale, i materiali della famiglia M41S trovano applicazione non solo nella catalisi eterogenea, ma anche nell’ambito della separazione e dell’assorbimento. I sistemi

costituiti da MCM-41 vengono utilizzati, ad esempio, per assorbire idrocarburi dall’acqua oppure per lo stoccaggio di gas o per la separazione di composti biologici e farmaceutici[1]. L’applicazione di questi sistemi come assorbenti è resa possibile grazie al loro carattere idrofobico-idrofilico, il quale varia a seconda della composizione e/o delle modifiche subite successivamente.

La sintesi di materiali mesoporosi con elevata area superficiale e porosità ordinate ha portato una grande innovazione nel campo della catalisi eterogenea dove vengono utilizzati come supporti o come vere e proprie fasi attive. L'ampia gamma di utilizzi di questi materiali è dovuto non soltanto alle loro peculiari caratteristiche ma anche all'elevato grado di modulazione del sistema, che permette tramite variazione di procedura sintetica o di reagenti di ottenere materiali con caratteristiche ben definite. Esistono numerose vie di sintesi per ottenere l’MCM-41 e numerosi meccanismi di reazione ipotizzata, ma sostanzialmente tutte le vie sintetiche proposte si basano sull’interazione tra una fonte di silice ed il templante.

Infine, tramite l’inserzione di metalli nella struttura mesoporosa, è possibile ottenere proprietà catalitiche differenti, variando così i campi di applicazione di questi materiali.

1

X. S. Zhao, G. Q. Lu, G. J. Millar, Ind. En. Chem.Res. 35, 2075-2090 (1996).

2

J.S. Beck, J.C. Vartuli, W.J. Roth, M.E. Leonowicz, C.T. Kresge, K.D. Schmitt, J. Am.

CAPITOLO 2 - Materiali Mesoporosi

3

J. C. Vartuli, C. T. Kresge,W. J. Roth, S. B. McCullen, J. S. Beck, K. D.Schmitt, M. E. Leonowicz, J. D. Lutner, E. W. Sheppard in "Advanced Catalysts and Nanostructured

Materials: Modern Synthesis Methods" (Ed.: W. R. Moser), Academic Press, New York,

1996, pp. 1-19.

4

A. Monnier, F. Schuth, Q. Huo, D. Kumar, D. Margolese, R. S. Maxwell, G. D. Stucky, M. Krishnamurthy, P. Petroff, A. Firouzi, M. Janicke, B. F. Chmelka, Science, 261, 1299-1303 (1993).

5

Q. Cai, Z.S.Luo, W.Q. Pang, Chem. Mater., 13, 258-263, (2001).

6

J. S. Beck, J. C. Vartuli, G. J. Kennedy, C. T. Kresge, W. J. Roth, S. E. Schrammt,

Chem. Mater., 6, 1816 (1994). 7

D. Klushalani, A. Kuperman, N. Coombs, G. A. Ozin, Chem. Mater., 8, 2188 (1996).

8

S. A. Davis, S. L. Burkett, N. H. Mendelson, S. Mann, Nature, 385, 420 (1997).

9

J. S. Beck, J. C. Vartuli, Current Opinion in Solid State & Material Science, 1, 76-87 (1996).

10

J. Y. Ying, C. P. Menhert, M. S. Wong, Angew. Chem. Int., 38, 56-77 (1999)

11

G.J.T., Tiddy, Phys. Rep.,57, 1-46 (1980).

12

S.H. Tolbert, A. Firouzi, G.D. Stucky, and B.F. Chmelka, Science, 278, 264-268 (1997).

13

Wong M., Thomas J.K., "In Micellization, solubilization and microemulsion", Mittel, K.L. Ed., New York, (1977), p.647.

14

Fendler, J.H., J. Phys. Chem., 84, 1485, (1980).

15

Q. Huo, D. Margolese, U. Ciesla, D. G. Demuth, P. Feng, T. E. Gier, P. Sieger, A. Firouzi, B. F. Chmelka, F. Schuth, G. D. Stucky, Chem. Mater., 84, 1176-1191 (1994).

16

Q. Huo, D. Margolese, U. Ciesla, P. Feng, T. E. Gier, P. Sieger, R. Leon, P. M. Petroff, G.D. Stucky, Nature, 368, 317-321, (1994);

17

P. T. Tanev, T. J. Pinnavaia, Science, 267, 865 (1995)

18

P. T. Tanev, M. Chibwe, T. J. Pinnavaia, Nature, 368, 321 (1994)

19

United States Patent: 6800266 B2.

20

R. Ryoo, C. H. Ko, R. F. Howe, Chem. Mater., 9, 1607 (1997).

21

K. M. Reddy, C. Song, Catal. Letter, 36, 103 (1996).

22

K. M. Reddy, C. Song, Catal. Today, 31, 137 (1996).

23

CAPITOLO 0

3 Nanoparticelle metalliche

3.1

Introduzione

Le nanoparticelle sono formate da aggregati atomici o molecolari con un diametro compreso indicativamente fra 2 e 200 nm. Questi materiali mostrano peculiari caratteristiche che li distinguono per reattività chimica e per proprietà fisiche. Le nanoparticelle sono attualmente la materia solida più piccola che si possa manipolare e si posizionano fra la materia tangibile e le strutture molecolari. Le proprietà dei materiali mutano all'approssimarsi della scala nanometrica, quando cioè gli atomi sulla superficie diventano una percentuale significativa degli atomi presenti in tutto il materiale.

Le proprietà ottiche, conduttive, magnetiche e catalitiche delle nanoparticelle metalliche hanno suscitato l’interesse del mondo scientifico ed industriale promuovendo lo sviluppo di numerose applicazioni in diversi settori fondamentali nello sviluppo economico quali: catalisi, elettronica, ceramica, nell’imaging biomedicale, nella sensoristica e nei supporti magnetici.

Questi materiali variano la loro caratteristiche in funzione delle dimensioni che acquistano durante la sintesi o durante i processi successivi. Lo sviluppo delle giuste condizioni di sintesi e delle procedure da attuare riveste pertanto un ruolo fondamentale nella determinazione della funzionalità delle nanoparticelle. Questa necessità ha portato nel tempo all'individuazione delle condizioni ottimali di sintesi per il controllo dei seguenti parametri:

1. forma e dimensioni delle particelle; 2. distribuzione delle dimensioni; 3. composizione delle particelle;

La sintesi delle nanoparticelle metalliche, utilizzate come fase attiva nella catalisi, necessita solitamente della riduzione di precursori salini. Questa riduzione, fulcro della sintesi delle nanoparticelle ultimamente è stata proposta in mezzi differenti e con reagenti a basso impatto ambientale che quindi risultano non tossici e provenienti da fonti