La importancia de los buenos vecinos en la catálisis

¿Le afectan sus vecinos? También lo son las nanopartículas en los catalizadores. Nueva investigación de Chalmers, publicada en las revistas Avances científicos y Comunicaciones de la naturaleza, revela cómo los vecinos más cercanos determinan qué tan bien funcionan las nanopartículas en un catalizador.

“El objetivo a largo plazo de la investigación es poder identificar ‘superpartículas’, para contribuir a catalizadores más eficientes en el futuro. Para utilizar los recursos mejor que hoy, también queremos que tantas partículas como sea posible participen activamente en la reacción catalítica al mismo tiempo ”, dice el líder de investigación Christoph Langhammer del Departamento de Física de Universidad Tecnológica de Chalmers.

“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. Crédito: Henrik Sandsjö / Chalmers University of Technology

Imagínese un gran grupo de vecinos reunidos para limpiar un patio comunitario. Se pusieron a trabajar, 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, necesitará monitorear a cada persona a lo largo del día. Lo mismo se aplica a la actividad de las nanopartículas metálicas en un catalizador.

La posibilidad de estudiar qué partículas hacen qué y cuándo

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 de catalizador, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers aislaron un puñado de partículas de cobre en un nanotubo de vidrio transparente. Cuando se reúnen varios en la pequeña tubería llena de gas, es posible estudiar qué partículas hacen qué, y cuándo, en condiciones reales.

Lo que sucede en el tubo es que las partículas entran en contacto con una mezcla de gas de entrada 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 a menudo se usan partículas de platino, paladio y rodio para descomponer el monóxido de carbono tóxico, en lugar de 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 cambiar 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. Crédito: Helén Rosenfeldt / Universidad Tecnológica de Chalmers

“El cobre puede ser un candidato interesante para oxidar el monóxido de carbono. El desafío es que el cobre tiende 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.

La cooperación entre vecinos optimizada puede ahorrar recursos

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 ocurre 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 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.

Referencias:

“Catálisis de cobre en condiciones de funcionamiento: superando la brecha entre el sondeo de nanopartículas individuales y el promedio del lecho de catalizador” por David Albinsson, Astrid Boje, Sara Nilsson, Christopher Tiburski, Anders Hellman, Henrik Ström y Christoph Langhammer, 24 de septiembre de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-18623-1

“Operando la detección de la dinámica de actividad de nanopartículas individuales dentro de un material catalizador de poros modelo” por David Albinsson, Stephan Bartling, Sara Nilsson, Henrik Ström, Joachim Fritzsche y Christoph Langhammer, 19 de junio de 2020, Avances científicos.
DOI: 10.1126 / sciadv.aba7678