Investigadores observan en tiempo real el principio de funcionamiento de los ‘promotores’ en una reacción catalítica

Por primera vez, los investigadores de la Universidad Técnica de Viena han observado con éxito en tiempo real el principio de funcionamiento de los «promotores» en una reacción catalítica. Estos promotores desempeñan un papel importante en la tecnología, pero todavía existe una comprensión limitada de cómo funcionan.

Los catalizadores son esenciales para muchas tecnologías químicas, desde la limpieza de gases de escape hasta la producción de sustancias químicas valiosas y vehículos energéticos. A menudo, se utilizan pequeñas trazas de aditivos con los catalizadores para hacerlos altamente efectivos. Estas cosas se denominan «promotores». Si bien desempeñan un papel importante en la tecnología, son famosos por la lectura.

En la mayoría de los casos, determinar qué cantidad de promotor tiene qué efecto sobre un catalizador es un proceso de prueba y error. Sin embargo, los investigadores de la TU Viena han controlado directamente el papel de los promotores del lantano en la oxidación del hidrógeno.

Utilizando métodos microscópicos de alta tecnología, visualizaron el papel de los átomos individuales. Su estudio demostró que las dos superficies del catalizador actúan como marcapasos, como los directores de una orquesta. El promotor juega un papel importante en su interacción, controlando los marcapasos. Los resultados de este estudio han sido publicados ahora en la revista comunicación de la naturaleza.

Mira la reacción en vivo

«En muchos procesos químicos se utilizan catalizadores en forma de pequeñas nanopartículas», afirma el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. Si bien el rendimiento de los catalizadores se puede determinar fácilmente mediante el análisis del producto, no se puede obtener información microscópica con este método.

Esto ha cambiado ahora. A lo largo de los años, Günther y su equipo han desarrollado métodos sofisticados que permiten la observación directa de nanopartículas individuales durante reacciones químicas. Esto permite ver cómo cambia la actividad en diferentes lugares de estas nanopartículas durante la reacción.

«Utilizamos nanopuntas de rodio que actúan como nanopartículas», afirma Gunther Rupprechter. «Pueden actuar como catalizadores, por ejemplo, cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar moléculas de agua, una reacción que estamos examinando en detalle».

Tirando entre ‘activo’ y ‘pasivo’

En los últimos años, el equipo de TU Wien ya ha demostrado que diferentes regiones de las superficies de nanopartículas exhiben un comportamiento diferente: se mueven entre un estado activo e inactivo. A veces, la reacción química deseada ocurre en algunos lugares, mientras que en otras ocasiones no.

Utilizando microscopía específica, se ha demostrado que diferentes cambios de este tipo ocurren en paralelo en cada nanopartícula y que todos se influyen entre sí. Ciertas regiones de la superficie de una nanopartícula, a menudo de sólo unos pocos átomos de diámetro, desempeñan un papel más importante que otras: actúan como «marcapasos» altamente eficaces, controlando incluso la composición química de otras regiones.

Los promotores ahora pueden interferir con el comportamiento de este marcapasos, lo que ha permitido desarrollar métodos de investigación específicos en la Universidad Técnica de Viena. Cuando se utiliza rodio como catalizador, el lantano puede actuar como promotor de la reacción catalítica. Se colocaron átomos de lantano individuales en la pequeña superficie de una nanopartícula de rodio. Se investigó la misma partícula tanto en presencia como en ausencia del promotor. Este método muestra en detalle el efecto específico de los átomos de lantano individuales en el desarrollo de reacciones químicas.

El lantano lo cambia todo

Maximilian Raab, Johannes Zenninger y Carla Weigel realizaron experimentos. «La diferencia es enorme», afirma Maximilian Raab. «Un átomo de lantano puede unirse al oxígeno y eso cambia la dinámica de la reacción catalítica». Una pequeña cantidad de lantano cambia el acoplamiento entre diferentes regiones de la nanopartícula.

«El lantano puede desactivar selectivamente determinados marcapasos», explica Johannes Zenninger. «Imagínese una orquesta con dos directores: escucharemos música bastante compleja. El promotor se asegura de que sólo quede un marcapasos, lo que hace que la situación sea más fácil y organizada».

Además de las mediciones, el equipo, apoyado por Alexander Genist y Yuri Sachorsky, desarrolló un modelo matemático para simular el acoplamiento entre las regiones individuales de la nanopartícula. Este enfoque ofrece una manera más poderosa que antes de describir la catálisis química: no solo basándose en entradas y salidas, sino en un modelo complejo que considera diferentes regiones del catalizador entre actividad e inactividad, cómo interactúan y, bajo el control de los promotores, influyen entre sí. .