Investigadores de la TU Wien han observado por primera vez de forma eficaz y en tiempo real el principio de funcionamiento de los llamados promotores en el proceso catalítico. Aunque su importancia en la tecnología es significativa, poco se sabe sobre cómo funcionan estos promotores.
Los procesos químicos, incluida la producción de sustancias químicas valiosas y vehículos energéticos, así como la limpieza de gases de escape, dependen de catalizadores. Los catalizadores suelen mejorarse añadiendo pequeñas cantidades de otras sustancias químicas. Estos materiales se denominan «promotores». A pesar de ser extremadamente importantes para la tecnología, siempre han sido difíciles de estudiar.
Muchas veces, identificar qué cantidades de promotores tienen qué efecto sobre la catálisis es un proceso de prueba y error. Sin embargo, los investigadores de TU Wien pudieron observar directamente la acción de los promotores del lantano en la oxidación del hidrógeno. Visualizaron el papel de los átomos individuales utilizando herramientas de microscopía de alta tecnología.
Su investigación encontró que las dos superficies del catalizador actúan como marcapasos, de forma muy parecida a como lo hacen los directores de orquesta. El promotor es importante en su relación porque controla los marcapasos. Los resultados de este estudio fueron publicados recientemente en la revista comunicación de la naturaleza.
Mira la reacción en vivo
Muchos procesos químicos utilizan catalizadores en forma de pequeñas nanopartículas.
Gunth Reprecher, Profesor, Instituto de Química de Materiales, TU Viena
Si bien el rendimiento de los catalizadores se puede verificar fácilmente mediante el análisis del producto, no se puede obtener información microscópica con este método.
Este ya no es el caso. Günther Rupprechter y sus colegas llevan años desarrollando técnicas avanzadas para capturar directamente nanopartículas individuales durante reacciones químicas. Esto permite examinar cómo cambia la actividad en diferentes lugares de estas nanopartículas durante el proceso.
Rupprechter añadió: «Utilizamos nanopuntas de rodio que se comportan como nanopartículas. 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».
El equipo de TU Wien ya ha demostrado en los últimos años que diferentes regiones de las superficies de nanopartículas exhiben un comportamiento diferente, moviéndose entre un estado activo y pasivo. Hay ocasiones en las que la reacción química correcta ocurre donde debería y otras no.
Con la ayuda de un microscopio especial se ha demostrado que muchas de estas oscilaciones se producen simultáneamente en cada nanopartícula y todas se influyen entre sí. A menudo, con sólo unos pocos átomos de diámetro, algunas áreas de la superficie de una nanopartícula son más importantes que otras. Actúan como «marcapasos» muy eficaces, regulando incluso los fertilizantes químicos en otras zonas.
Los promotores ahora pueden interferir con el funcionamiento de este marcapasos, que los investigadores de la Universidad Técnica de Viena pudieron probar. El lantano puede actuar como promotor del catalizador cuando se utiliza rodio como catalizador.
Se incrustaron átomos de lantano individuales en la pequeña superficie de una nanopartícula de rodio. La misma partícula se estudió con y sin el promotor. Este método reveló la influencia exacta de los átomos individuales de lantano en el desarrollo de procesos químicos.
El lantano lo cambia todo
Los experimentos fueron realizados por Maximilian Raab, Johannes Zenninger y Carla Weigel.
La diferencia es enorme. Un átomo de lantano puede unirse al oxígeno y esto cambia la dinámica de la reacción catalítica.
Maximilian Raab, asistente de investigación, TU Wayne
El lantano, en pequeñas cantidades, afecta la interacción entre las diferentes partes de la nanopartícula.
El lantano puede desactivar selectivamente ciertos marcapasos. Imaginemos una orquesta con dos directores: escucharemos música bastante compleja. El promotor se asegura de que solo quede un marcapasos, lo que hace que la situación sea más fácil y manejable.
Johannes Zenninger, asistente postdoctoral universitario, TU Wayne
Además de las observaciones, el equipo, liderado por Alexander Genist y Yuri Sochorsky, creó un modelo matemático para simular la interacción entre las diferentes partes de la nanopartícula.
Esta técnica proporciona una forma más poderosa de caracterizar la catálisis química que los métodos anteriores, considerando que diferentes partes del catalizador oscilan entre actividad e inactividad y, controladas por promotores, se influyen entre sí.
El Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF; P32772-N y SFB TACO F81-P08) financió la investigación.
Referencia de la revista:
Raab, M. y otros. (2023) Marcapasos de reacción modulada con lantano en una única nanopartícula catalítica. comunicación de la naturaleza. doi:10.1038/s41467-023-43026-3.
Fuente: https://www.tuwien.at/en/tu-wien
