Rompiendo la caja negra de las reacciones catalíticas
La investigación ofrece una nueva comprensión de la catálisis compleja y hace avanzar el diseño de los catalizadores
Muchas de las reacciones catalíticas que impulsan nuestro mundo moderno ocurren en una caja negra atómica. Los científicos conocen todos los componentes que intervienen en una reacción, pero no cómo interactúan a nivel atómico.
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Comprender las vías de reacción y la cinética de las reacciones catalíticas a escala atómica es fundamental para diseñar catalizadores que permitan una producción química más eficiente y sostenible desde el punto de vista energético, especialmente los catalizadores multimateriales que tienen estructuras superficiales siempre cambiantes.
En un artículo reciente, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard, en colaboración con investigadores de la Universidad de Stony Brook, la Universidad de Pensilvania, la Universidad de California en Los Ángeles, la Universidad de Columbia y la Universidad de Florida, han echado un vistazo a la caja negra para comprender, por primera vez, la evolución de las estructuras en un catalizador multimaterial a escala atómica.
La investigación se ha llevado a cabo en el marco del proyecto Integrated Mesoscale Architectures for Sustainable Catalysis (IMASC), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el Departamento de Energía, con sede en Harvard. Se ha publicado en Nature Communications.
"Nuestra estrategia múltiple combina mediciones de la reactividad, análisis espectroscópicos basados en el aprendizaje automático y modelización cinética para resolver un viejo reto en el campo de la catálisis: cómo entender las estructuras reactivas en catalizadores de aleación complejos y dinámicos a nivel atómico", dijo Boris Kozinsky, profesor asociado Thomas D. Cabot de Ciencia Computacional de los Materiales en SEAS y coautor del artículo. "Esta investigación nos permite avanzar en el diseño de catalizadores más allá del enfoque de ensayo y error".
El equipo utilizó un catalizador multimaterial que contiene pequeños grupos de átomos de paladio mezclados con mayores concentraciones de átomos de oro en partículas de aproximadamente cinco nanómetros de diámetro. En estos catalizadores, la reacción química tiene lugar en la superficie de pequeñas islas de paladio. Esta clase de catalizador es prometedora porque es muy activa y selectiva para muchas reacciones químicas, pero es difícil de observar porque los grupos de paladio están formados por sólo unos pocos átomos.
"La estructura tridimensional y la composición de los cúmulos de paladio activos no pueden determinarse directamente mediante imágenes porque las herramientas experimentales de las que disponemos no ofrecen una resolución suficiente", explica Anatoly Frenkel, profesor de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Química de Stony Brook y coautor del artículo. "En su lugar, entrenamos una red neuronal artificial para encontrar los atributos de dicha estructura, como el número de enlaces y sus tipos, a partir del espectro de rayos X que es sensible a ellos".
Los investigadores utilizaron la espectroscopia de rayos X y el análisis de aprendizaje automático para reducir las posibles estructuras atómicas, y luego utilizaron cálculos de primeros principios para modelar reacciones basadas en esas estructuras, encontrando las estructuras atómicas que darían lugar a la reacción catalítica observada.
"Encontramos una forma de perfeccionar un modelo de estructura con la aportación de la caracterización experimental y el modelado teórico de la reacción, en el que ambos se retroalimentan mutuamente", dijo Nicholas Marcella, recién doctorado en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Química de Stony Brook, postdoctorado en la Universidad de Illinois y primer autor del artículo.
"Nuestro enfoque multidisciplinar reduce considerablemente el amplio espacio configuracional para permitir la identificación precisa del sitio activo y puede aplicarse a reacciones más complejas", dijo Kozinsky. "Nos acerca un poco más a la consecución de procesos catalíticos más eficientes desde el punto de vista energético y sostenibles para una serie de aplicaciones, desde la fabricación de materiales hasta la protección del medio ambiente o la industria farmacéutica".
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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