La importancia de los buenos vecinos en la catálisis

¿Le afectan sus vecinos? También lo son las nanopartículas en los catalizadores. Una nueva investigación de Chalmers, publicada en las revistas Science Advances y Nature Communications, revela cómo los vecinos más cercanos determinan qué tan bien funcionan las nanopartículas en un catalizador.


Colaboración vecina para la catálisis. Primero, se aíslan varias nanopartículas de cobre en un nanotubo lleno de gas. Luego, los investigadores usan la luz para medir cómo se afectan entre sí durante el proceso por el cual el oxígeno y el monóxido de carbono se convierten en dióxido de carbono. El objetivo a largo plazo de la investigación es encontrar una "colaboración de vecindario" eficiente en el uso de recursos donde tantas partículas como sea posible sean catalíticamente activas al mismo tiempo. Ilustración: David Albinsson

"El objetivo a largo plazo de la investigación es el de ser capaz de identificar super- partículas, para contribuir a los catalizadores más eficientes en el futuro. Para un mejor uso de los recursos de hoy, queremos que tantas partículas como sea posible estén participando activamente en la reacción catalítica al mismo tiempo", dice el líder de investigación Christoph Langhammer en el Departamento de Física de la Universidad de Tecnología de Chalmers.


Imagínese un gran grupo de vecinos reunidos para limpiar un patio comunitario. Se pusieron manos a la obra, cada uno contribuyendo al esfuerzo del grupo. El único problema es que no todos son igualmente activos. Mientras algunos trabajan duro y eficientemente, otros se pasean, charlan y toman café. Si solo mirara el resultado final, sería difícil saber quién trabajó más y quién simplemente se relajó. Para determinar eso, necesitaría monitorear a cada persona a lo largo del día. Lo mismo se aplica a la actividad de las nanopartículas metálicas en un catalizador .



La búsqueda de catalizadores más eficaces mediante la cooperación entre vecinos


Dentro de un catalizador, varias partículas afectan la efectividad de las reacciones. Algunas de las partículas en la multitud son efectivas, mientras que otras están inactivas. Pero las partículas a menudo están ocultas dentro de diferentes "poros", como en una esponja, y por lo tanto son difíciles de estudiar.


Para poder ver lo que realmente está sucediendo dentro de un poro del catalizador, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers aislaron un puñado de partículas de cobre en un nanotubo de vidrio transparente. Cuando varios se juntan en la pequeña tubería llena de gas, fué posible estudiar qué partículas hacen qué, y cuándo, en condiciones reales.


En el tubo, las partículas entran en contacto con una mezcla de gas entrante de oxígeno y monóxido de carbono. Cuando estas sustancias reaccionan entre sí en la superficie de las partículas de cobre, se forma dióxido de carbono. Es la misma reacción que ocurre cuando los gases de escape se purifican en el convertidor catalítico de un automóvil, excepto que allí, las partículas de platino, paladio y rodio a menudo se usan para descomponer el monóxido de carbono tóxico en lugar del cobre. Pero estos metales son caros y escasos, por lo que los investigadores buscan alternativas más eficientes en el uso de recursos.


"El cobre puede ser un candidato interesante para oxidar el monóxido de carbono. El desafío es que el cobre tiene una tendencia a cambiarse durante la reacción, y necesitamos poder medir qué estado de oxidación tiene una partícula de cobre cuando está más activa dentro del catalizador con nuestro nanoreactor, que imita un poro dentro de un catalizador real, esto ahora será posible ", dice David Albinsson, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de Chalmers y primer autor de dos artículos científicos publicados recientemente en Science Advances y Nature Communications.


Cualquiera que haya visto una antigua estatua o tejado de cobre reconocerá cómo el metal marrón rojizo pronto se vuelve verde después del contacto con el aire y los contaminantes. Algo similar sucede con las partículas de cobre en los catalizadores. Por lo tanto, es importante lograr que trabajen juntos de manera eficaz.


"Lo que hemos demostrado ahora es que el estado de oxidación de una partícula puede verse afectado dinámicamente por sus vecinos más cercanos durante la reacción. Por lo tanto, la esperanza es que eventualmente podamos ahorrar recursos con la ayuda de una cooperación vecinal optimizada en un catalizador", dice Christoph. Langhammer, profesor del Departamento de Física de Chalmers.




 

Más información: David Albinsson et al, Copper catalysis at operando conditions—bridging the gap between single nanoparticle probing and catalyst-bed-averaging, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18623-1

 

Nota original: Chalmers University of Technology

0 comentarios