Giro inesperado de las nanopartículas catalizadoras
La orientación precisa afecta a la forma, el tamaño y el comportamiento
Las nanopartículas que componen los catalizadores pueden organizarse de formas ligeramente diferentes y, en consecuencia, comportarse de forma muy distinta. Así lo revela un estudio con rayos X de nanopartículas de paladio realizado en el DESY Nanolab y PETRA III. El estudio se ha publicado en la revista ACS Nano y proporciona una visión sistemática de la autoorganización de dichas partículas catalizadoras.
La partícula en orientación preferente (derecha) y la ligeramente retorcida (izquierda) difieren en su forma y, por tanto, en su función.
DESY, Vedran Vonk
Los catalizadores suelen consistir en ciertos metales, como el platino, el rodio o el paladio, que promueven las reacciones químicas deseadas sin consumirse ellos mismos. Los catalizadores utilizados en el sistema de escape de los coches, por ejemplo, promueven la oxidación del monóxido de carbono tóxico a dióxido de carbono y la reducción de los óxidos de nitrógeno nocivos. Los metales suelen adoptar la forma de nanopartículas, ya que éstas tienen mayor superficie para una cantidad determinada de material.
Los centros más activos de las nanopartículas catalizadoras suelen estar situados en las esquinas y a lo largo de los bordes. Por tanto, la forma y el tamaño de las partículas pueden influir considerablemente en su funcionamiento y eficacia. Sin embargo, los científicos apenas están empezando a entender exactamente cómo se relacionan estas cosas y cómo se puede controlar la estructura de las nanopartículas.
"En muchos casos, los detalles exactos de la estructura y la función de los catalizadores siguen siendo un misterio", explica Vedran Vonk, del DESY, en el Nanolab. "Si conociéramos el tamaño y la forma óptimos de una nanopartícula, por ejemplo, los catalizadores podrían ser mucho mejores y más baratos". En particular, apenas se ha explorado el papel de la orientación precisa de las partículas en el sustrato. Suponemos que alrededor del 90 por ciento del metal utilizado en los catalizadores actuales no contribuye a su funcionalidad".
Para su estudio sistemático, el equipo del DESY cultivó nanopartículas de paladio en un sustrato de óxido de magnesio. "Ambos materiales se encuentran habitualmente en una serie de catalizadores diferentes, por lo que el sistema que estudiamos puede servir de modelo para numerosas aplicaciones, incluidos los convertidores catalíticos instalados en los coches", señala el autor principal, Simon Chung, del DESY Nanolab. Los investigadores analizaron el tamaño y la orientación de las nanopartículas resultantes utilizando los rayos X de alta intensidad de PETRA III. "Se ve claramente que las nanopartículas tienen una orientación preferente", informa Dmitri Novikov, jefe de la línea de luz P23 en la que se llevó a cabo el experimento. "Se alinean a lo largo de la red cristalina del sustrato de óxido de magnesio y casi todas ellas crecen en una determinada dirección y hasta un determinado tamaño". Pero sólo casi todas: aproximadamente una de cada cien nanopartículas se alinea en un pequeño ángulo respecto a la dirección preferida.
"Eso nos sorprendió: además de la orientación principal, hay una segunda dirección preferida, girada apenas 3,7 grados a la derecha o a la izquierda de la dirección principal", explica Jan-Christian Schober, que escribió su tesis de máster sobre este tema en la Universidad de Hamburgo. "Alrededor del uno por ciento de las partículas adoptan esta segunda alineación y su forma también es ligeramente diferente". Como resultado, las esquinas y los bordes con los centros activos también difieren en los dos tipos de partículas, y se comportan de forma diferente cuando funcionan catalíticamente.
El equipo simuló el funcionamiento práctico calentando las partículas a más de 400 grados Celsius e investigando su forma en reacciones de oxidación y reducción. Durante estas reacciones, las nanopartículas suelen cambiar de forma, lo que a su vez significa que los sitios activos se desplazan. Los datos operativos de los dos tipos de nanopartículas difieren considerablemente, pero dada la complejidad de su interacción aún no es posible dar una respuesta sencilla sobre qué tipo de partícula funciona mejor.
"Si conociéramos las posiciones de todos los átomos y, además, cómo contribuye cada uno de ellos al efecto catalizador, podríamos adaptar el catalizador óptimo para cada aplicación", dice Vonk. Por el momento, eso no es posible. Un nuevo centro de investigación en colaboración llamado "Tracking the Active Site in Heterogeneous Catalysis for Emission Control" (TrackAct)", en el que participan científicos del DESY y del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), quiere explorar exactamente esta cuestión. El estudio de las nanopartículas de paladio es en sí mismo el primer paso en este camino. "Partimos de la base de que, a nivel cualitativo, nuestras observaciones se aplican de forma bastante general a las nanopartículas catalizadoras sobre un sustrato", subraya Vonk.
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.
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