Optimización de catalizadores de metales nobles con grupos de átomos para mejorar el rendimiento y ahorrar recursos

Producción de menor costo gracias a la distribución optimizada de átomos

Se utilizan miles de millones de catalizadores de metales nobles en todo el mundo para la producción de productos químicos, la generación de energía o la limpieza del aire. Sin embargo, los recursos necesarios para este fin son costosos y su disponibilidad es limitada. Para optimizar el uso de recursos, se han desarrollado catalizadores basados ​​en átomos de un solo metal. Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) demostró que los átomos de metales nobles pueden ensamblarse para formar grupos bajo ciertas condiciones. Estos grupos son más reactivos que los átomos individuales y, por lo tanto, los gases de escape pueden eliminarse mucho mejor. Los resultados se informan en Nature Catalysis.

Los catalizadores de metales nobles se utilizan para una amplia gama de reacciones. Entre otros, se aplican en casi todos los procesos de combustión para reducir las emisiones contaminantes. A menudo, consisten en partículas muy pequeñas del componente activo, como un metal noble, que se aplican a un material portador. Estas denominadas nanopartículas están compuestas por varios miles de átomos metálicos. “Pero solo los átomos del exterior están activos en la reacción, mientras que la mayoría de los átomos permanecen sin usar”, explica el profesor Jan-Dierk Grunwaldt del Instituto de Tecnología Química y Química de Polímeros (ITCP) de KIT. Al cambiar las condiciones de operación, la estructura de tal catalizador y, por lo tanto, su actividad puede cambiarse. “A altas temperaturas en el sistema de gases de escape de un automóvil, que se alcanzan durante un viaje más largo en una autopista, por ejemplo, la interacción entre el metal noble y el portador puede conducir a la formación de átomos individuales, es decir, átomos metálicos separados y aislados en el portaaviones ”, dice Grunwaldt. “Tal solteroátomo Se podría esperar que los catalizadores alcancen una tasa de utilización muy alta de los componentes de metales nobles, porque en teoría todos los átomos pueden participar en la reacción “. Sin embargo, contrariamente a esta expectativa, el equipo de Grunwaldt, en cooperación con los profesores Christof Wöll del Instituto de Interfaces Funcionales de KIT y Felix Studt del Instituto de Investigación y Tecnología de Catálisis de KIT, ha descubierto que estos átomos primero deben formar grupos de metales nobles. en condiciones de reacción para volverse activo.

Los investigadores indujeron específicamente la formación de átomos individuales y examinaron su estructura a fondo durante la reacción. Con la ayuda de espectroscopia altamente especializada y cálculos teóricos, que se utilizaron por primera vez para esta clase de catalizadores, el equipo logró explicar por qué los átomos de platino con frecuencia tienen una actividad baja. “Para convertir los contaminantes, generalmente tienen que reaccionar con el oxígeno del catalizador. Para ello, ambos componentes deben estar disponibles al mismo tiempo y en el mismo lugar, lo que no se puede lograr con átomos de platino aislados, ya que el oxígeno para la reacción requerida está demasiado unido al componente portador, en nuestro caso, el óxido de cerio ”, dice Florian. Maurer del ITCP, uno de los principales autores del estudio. “Después de romper los enlaces platino-óxido de cerio, los átomos de platino pueden moverse a través de la superficie del portador. En el siguiente paso, estos átomos de platino forman pequeños grupos de platino, en los que la reacción tiene lugar mucho más rápido que en átomos individuales ”.

Los clústeres tienen una estructura óptima para una alta actividad

Los estudios del equipo demuestran que ni las nanopartículas ni los átomos aislados alcanzan la máxima actividad. “Lo óptimo está en el medio. Se llega a través de pequeños grupos de metales nobles ”, dice Grunwaldt. “La estabilización de estos grupos de metales nobles podría ser la clave para reducir sustancialmente el consumo de metales nobles al producir catalizadores. Durante años, la distribución cada vez más fina del componente de metal noble ha sido una de las principales estrategias en el diseño de nuevos catalizadores. Nuestros experimentos ahora han revelado los límites en el rango atómico “. Los resultados del estudio se utilizarán ahora para el diseño y desarrollo basados ​​en el conocimiento de catalizadores de mayor estabilidad y actividad a largo plazo. Este será un enfoque principal del trabajo del Centro de Gases de Escape de Karlsruhe de KIT, cuya directora científica, la Dra. Maria Casapu, es coautora del estudio.

Referencia: “Seguimiento de la formación, el destino y las consecuencias de la actividad catalítica de sitios individuales de Pt en CeO₂”Por Florian Maurer, Jelena Jelic, Junjun Wang, Andreas Gänzler, Paolo Dolcet, Christof Wöll, Yuemin Wang, Felix Studt, Maria Casapu y Jan-Dierk Grunwaldt, 21 de septiembre de 2020, Catálisis de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41929-020-00508-7