Un nuevo método correlaciona la microscopía de fuerza atómica con la función de los catalizadores monoatómicos

Los investigadores estudian la actividad catalítica de los átomos de cobre

09.09.2022 - Alemania

Las pilas de combustible convierten la energía de las reacciones químicas en energía eléctrica y calor. Se utilizan, por ejemplo, para el desarrollo de vehículos eléctricos, en la aviación y la aeronáutica o para el suministro de energía sostenible. Durante la conversión de energía, la reducción catalítica del oxígeno desempeña un papel importante. Por lo tanto, el desarrollo de catalizadores eficientes y baratos es extremadamente importante. Los investigadores de la Universidad de Münster han avanzado en el campo de la investigación de los catalizadores monoatómicos. Junto con sus colegas del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces de Potsdam y de la Universidad de Paderborn, han desarrollado un método que combina la caracterización a escala atómica directamente con las propiedades electroquímicas en la reducción del oxígeno. En el futuro, este método permitirá diseñar catalizadores a medida con una eficacia aún mayor. Los resultados del estudio se han publicado ahora en la revista ACS Nano.

Antecedentes y metodología

Los catalizadores convencionales suelen utilizar costosas nanopartículas de oro o platino. Dado que estos metales nobles son tan caros, se está intentando sustituirlos por materiales más baratos y utilizarlos en forma de partículas cada vez más pequeñas. Por este motivo, el área de investigación de los llamados catalizadores monoatómicos se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. En este caso, el metal no está presente en forma de partículas, sino como átomos individuales que se mantienen en una superficie. "La ventaja de este enfoque se basa en el hecho de que estos átomos tienen muy pocos compañeros de enlace, lo que también se conoce como baja coordinación", afirma el Dr. Harry Mönig, del Instituto de Física de la Universidad de Münster. "En consecuencia, presentan eficiencias catalíticas muy altas, lo que significa básicamente una mayor ganancia y selectividad para una reacción química específica". Un problema importante en el desarrollo de este tipo de catalizadores de un solo átomo es la tendencia de los átomos individuales a agregarse y formar partículas, lo que lleva a un mayor número de socios de unión y, como resultado, a una pérdida de su eficiencia catalítica.

Para el estudio, el equipo de investigadores utilizó una red altamente ordenada mediante la cual estabilizaron átomos individuales de cobre con una coordinación muy baja. "Para ello", explica Mönig, "enlazamos moléculas orgánicas en una superficie de cobre para formar una red bidimensional (supramolecular). Como consecuencia de una interacción extremadamente fuerte entre la capa orgánica y el sustrato de cobre, los átomos de cobre individuales se extraen del sustrato para "colgarse", suspendidos flexiblemente entre las unidades individuales de la red." En un paso más, los investigadores examinaron si estos átomos de cobre mostraban alguna actividad catalítica. Para ello, llevaron a cabo varios experimentos electroquímicos y las correspondientes simulaciones. Al mostrar una robusta reducción del oxígeno, este enfoque permitió correlacionar las propiedades a escala atómica de las redes directamente con su rendimiento catalítico. El uso de cobre más barato en lugar de oro o platino como material catalítico podría significar un enorme beneficio de costes para cualquier aplicación tecnológica.

Ya en 2018, el equipo de investigadores de la Universidad de Münster en los laboratorios del Centro de Nanotecnología (CeNTech) desarrolló un nuevo método que permitió conocer las interacciones funcionales entre las moléculas. Mediante el uso de la microscopía de fuerza atómica en conexión con puntas de sonda definidas atómicamente, los científicos pueden obtener imágenes de las propiedades estructurales y químicas de las moléculas orgánicas con una resolución ultra alta. Ahora han utilizado este método para examinar las redes bidimensionales con la máxima precisión a nivel atómico.

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Publicación original

Schulze Lammers, B., López-Salas N., Stein Siena, J., Mirhosseini, H., Yesilpinar, D., Heske, J., Kühne T.D., Fuchs, H., Antonietti, M. and Mönig, H. (2022). Real-Space Identification of Non-Noble Single Atomic Catalytic Sites within Metal-Coordinated Supramolecular Networks. ACS Nano

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