Átomos individuales como catalizadores

03.09.2019 - Austria

La incorporación correcta de átomos metálicos individuales en una superficie permite adaptar su comportamiento químico. Esto hace posibles nuevos y mejores catalizadores.

Hacen que nuestros coches sean más respetuosos con el medio ambiente y son indispensables para la industria química: los catalizadores hacen posible ciertas reacciones químicas -como la conversión de CO en_CO2 en los gases de escape de los coches- que de otro modo se producirían muy lentamente o no se producirían en absoluto. Los físicos de la superficie en la TU Wien han logrado un importante avance; los átomos de metal pueden ser colocados sobre una superficie de óxido de metal para que muestren exactamente el comportamiento químico deseado. Resultados prometedores con átomos de iridio acaban de ser publicados en la revista "Angewandte Chemie".

Cada vez más pequeño, hasta el átomo único.

Para los gases de escape de los automóviles se utilizan catalizadores sólidos como el platino. El gas entra en contacto con la superficie metálica, donde reacciona con otros componentes del gas. "Sólo la capa más externa de átomos de metal puede desempeñar un papel en este proceso. El gas nunca puede llegar a los átomos dentro del metal, así que básicamente se desperdician", dice el Prof. Gareth Parkinson del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena. Por lo tanto, tiene sentido construir el catalizador no como un solo bloque grande de metal, sino en forma de gránulos finos. Esto hace que el número de átomos activos sea lo más alto posible. Dado que muchos materiales catalizadores importantes (como el platino, el oro o el paladio) son muy caros, el costo es un problema importante.

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Durante años, se han hecho esfuerzos para convertir los catalizadores en partículas cada vez más finas. En el mejor de los casos, el catalizador podría estar formado por átomos de catalizador individuales, y todos estarían activos de la manera correcta. Sin embargo, esto es más fácil decirlo que hacerlo. "Cuando los átomos metálicos se depositan en una superficie de óxido metálico, suelen tener una fuerte tendencia a aglomerarse y formar nanopartículas", explicó Gareth Parkinson.

En lugar de unir los átomos de metal activo a una superficie, también es posible incorporarlos a una molécula con átomos vecinos seleccionados inteligentemente. Las moléculas y los reactivos se disuelven en un líquido y las reacciones químicas se producen allí.

Ambas variantes tienen ventajas y desventajas. Los catalizadores de metal sólido tienen un mayor rendimiento y pueden funcionar en funcionamiento continuo. Con los catalizadores líquidos, por otro lado, es más fácil adaptar las moléculas según sea necesario, pero el producto y el catalizador tienen que separarse de nuevo después.

Lo mejor de ambos mundos

El equipo de Parkinson de la TU Wien está trabajando para combinar las ventajas de ambas variantes: "Durante años hemos estado trabajando en el procesamiento controlado de superficies de óxido metálico y en la obtención de imágenes bajo el microscopio", dice Gareth Parkinson. "Gracias a esta experiencia, ahora somos uno de los pocos laboratorios en el mundo que puede incorporar átomos de metal en una superficie sólida de una manera bien definida".

De la misma manera que se diseñan las moléculas de catalizador líquido, cada vez es posible elegir en la superficie los átomos vecinos que serían los más favorables desde el punto de vista químico, y los trucos especiales de física de la superficie permiten incorporarlos en una matriz sólida sobre una superficie especial de óxido de hierro. Esto puede utilizarse, por ejemplo, para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono.

Control óptimo

"La catálisis de un solo átomo es un campo de investigación nuevo y extremadamente prometedor", dice Gareth Parkinson. "Ya ha habido mediciones emocionantes con estos catalizadores, pero hasta ahora no se sabía realmente por qué funcionaban tan bien. Ahora, por primera vez, tenemos control total sobre las propiedades atómicas de la superficie y podemos demostrarlo claramente por medio de imágenes del microscopio electrónico".

Esta investigación fue financiada por el premio START del Fondo Austriaco para la Ciencia, otorgado a Gareth Parkinson en el 2015.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.