Más compleja de lo esperado: La catálisis al microscopio

El análisis químico a escala microscópica ha demostrado que la composición del catalizador puede variar localmente incluso más de lo esperado

08.06.2023 - Austria

En la Universidad Técnica de Viena (TU Wien), los científicos utilizan técnicas de microscopía para observar las reacciones químicas en catalizadores con más precisión que antes, lo que permite obtener una gran cantidad de detalles. De este modo se ha aclarado por qué algunos efectos no pueden predecirse.

Los catalizadores compuestos por diminutas partículas metálicas desempeñan un papel importante en muchos ámbitos de la tecnología, desde las pilas de combustible hasta la producción de combustibles sintéticos para el almacenamiento de energía. Sin embargo, el comportamiento exacto de los catalizadores depende de muchos detalles y su interacción suele ser difícil de entender. Incluso cuando se prepara exactamente el mismo catalizador dos veces, suele ocurrir que ambos difieran en aspectos minúsculos y, por tanto, se comporten químicamente de forma muy distinta.

En la TU Wien, los científicos tratan de identificar las razones de tales efectos obteniendo imágenes de las reacciones catalíticas que tienen lugar en diversos puntos de estos catalizadores, aplicando varias técnicas de microscopía diferentes. De este modo se consigue una comprensión fiable y microscópicamente correcta de los procesos catalíticos.

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Al hacerlo, se puso de manifiesto que incluso los sistemas catalíticos relativamente "sencillos" eran más complejos de lo esperado. Por ejemplo, no sólo el tamaño de las partículas metálicas empleadas o la naturaleza química del material de soporte definen las propiedades catalíticas. Incluso dentro de una misma partícula metálica pueden prevalecer distintos escenarios a escala micrométrica. En combinación con simulaciones numéricas, se podría explicar y predecir correctamente el comportamiento de distintos catalizadores.

No todas las partículas son iguales

"Investigamos la combustión del posible futuro portador de energía hidrógeno con oxígeno, formando agua pura, utilizando partículas de rodio como catalizadores", explica el profesor Günther Rupprechter, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. Varios parámetros desempeñan un papel importante en este proceso: ¿Qué tamaño tienen las partículas de rodio? ¿A qué material de soporte se unen? ¿A qué temperatura y a qué presiones de los reactivos tiene lugar la reacción?

"El catalizador está formado por partículas de rodio soportadas, pero no se comporta como un objeto uniforme que pueda describirse mediante unos pocos parámetros sencillos, como se ha intentado a menudo en el pasado", destaca Günther Rupprechter. "Pronto quedó claro que el comportamiento catalítico varía mucho según la ubicación del catalizador. Una zona determinada de una partícula de rodio puede ser catalíticamente activa, mientras que otra, a sólo micrómetros de distancia, puede ser catalíticamente inactiva. Y unos minutos después, la situación puede incluso haberse invertido".

Nueve catalizadores en un barrido

Para los experimentos, el primer autor del estudio, publicado en la revista ACS Catalysis, el Dr. Philipp Winkler, preparó una impresionante muestra de catalizadores, compuesta por nueve catalizadores diferentes con partículas metálicas de distinto tamaño y distintos materiales de soporte. Así, en un aparato específico, todos los catalizadores pudieron observarse y compararse simultáneamente en un solo experimento.

"Con nuestros microscopios podemos determinar si el catalizador es catalíticamente activo, su composición química y sus propiedades electrónicas, y esto para cada uno de los puntos de la muestra", afirma Philipp Winkler. "Por el contrario, los métodos tradicionales suelen limitarse a medir un valor medio de toda la muestra. Sin embargo, como hemos demostrado, esto no suele ser suficiente ni de lejos".

Más complejo de lo previsto

El análisis químico a escala microscópica ha demostrado que la composición del catalizador puede variar localmente incluso más de lo esperado: Incluso dentro de las partículas metálicas individuales se observaron fuertes diferencias. "Los átomos del material de soporte pueden migrar hacia o dentro de las partículas, o incluso formar aleaciones superficiales", afirma Günther Rupprechter. "En algún punto, incluso ya no existe un límite claro, sino una transición continua entre la partícula catalizadora y el material de soporte. Es crucial tener en cuenta este hecho, porque también afecta a la actividad química".

En una próxima etapa, el equipo de la Universidad Técnica de Viena aplicará los conocimientos adquiridos y los métodos aplicados con éxito para abordar procesos catalíticos aún más complejos, en su misión continua de explicar los procesos a escala microscópica, contribuir al desarrollo de catalizadores mejorados y buscar nuevos catalizadores.

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.

Publicación original

P. Winkler et al.: Imaging interface and particle size effects by in situ correlative microscopy of a catalytic reaction, ACS Catalysis, 13 (2023) 7650−7660

https://www.quimica.es/noticias/1180703/mas-compleja-de-lo-esperado-la-catalisis-al-microscopio.html

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P. Winkler et al.: Imaging interface and particle size effects by in situ correlative microscopy of a catalytic reaction, ACS Catalysis, 13 (2023) 7650−7660

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