Observación de una superficie catalítica bimetálica en acción
Esta información sobre los catalizadores en funcionamiento sólo puede obtenerse utilizando las técnicas experimentales más avanzadas en condiciones de reacción.
Un equipo de investigadores del Departamento de Ciencias de las Interfaces del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck abordó la siguiente cuestión: ¿qué le ocurre a una superficie de Cu promovida por Ga en las condiciones de reacción necesarias para la síntesis de metanol? Encontraron complejas transformaciones estructurales de este catalizador bimetálico que podrían cambiar la visión común sobre la estructura de la superficie catalíticamente activa.
La hidrogenación de CO2 a metanol se produce con gran eficacia en los famosos catalizadores Cu/ZnO/Al2O3 a altas presiones, es decir, 50 - 100 bar. Sin embargo, esta síntesis no sólo conlleva riesgos de seguridad y un elevado consumo de energía, sino que también limita la concentración deCO2 en la alimentación de gas para mantener una selectividad elevada. Por lo tanto, es muy deseable una nueva clase de catalizadores para la síntesis de metanol a baja presión, también para el futuro desarrollo de dispositivos a pequeña escala que utilicen hidrógeno generado por energía solar a presión ambiente.
Recientemente se ha descubierto que los compuestos intermetálicos y las aleaciones que contienen Ga muestran un buen rendimiento catalítico incluso a presiones atmosféricas. Sin embargo, el papel promotor del Ga en estos catalizadores es aún poco conocido, principalmente debido a la falta de información sobre las estructuras superficiales de los catalizadores. A este respecto, los estudios que utilizan técnicas sensibles a la superficie aplicadas a catalizadores modelo bien definidos en condiciones de reacción pueden aportar información clave que ayude a comprender la naturaleza dinámica de los sitios activos, los intermediarios de reacción y, en última instancia, el mecanismo de reacción.
Un equipo de investigadores del Departamento de Ciencias de las Interfaces del Instituto Fritz Haber utilizó la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X a presión casi ambiental (NAP-XPS) y la microscopia de efecto túnel (NAP-STM) para controlar in situ la evolución estructural y química de las superficies bimetálicas de Ga-Cu en la reacción de hidrogenación del CO2. Observaron una desaleación dependiente de la temperatura y la presión de la superficie bimetálica que dio lugar a islas de óxido de Ga incrustadas en la superficie de Cu. Aunque la fase de óxido mostraba una estequiometría cercana a Ga2O3, es decir, el óxido de Ga más estable, en realidad forma una capa ultrafina. El efecto promocional de metales como el Ga, que son propensos a la oxidación, se discute a menudo dentro de modelos de estructura en los que un óxido a granel se coloca sobre la superficie del metal y el mecanismo de reacción correspondiente implica el derrame de especies intermedias en la interfaz. El presente estudio demuestra claramente que (i) el óxido de Ga está incrustado en la superficie metálica; y (ii) las islas de óxido de Ga son ultrafinas, muy probablemente de espesor "monocapa". La formación inducida por la reacción de una capa ultrafina de óxido de Ga en las superficies metálicas también se prevé para los compuestos intermetálicos que contienen Ga. Es importante destacar que estas películas de óxido bidimensionales son muy diferentes de sus homólogas en bruto en términos de estructura y reactividad. Por lo tanto, la interfaz GaOx/Cu formada en condiciones de reacción de hidrogenación de CO2 puede exponer sitios catalíticamente activos nunca antes considerados para esta reacción. Esta información sería imposible de obtener mediante las técnicas de caracterización de catalizadores en polvo.
Los resultados de este estudio, realizado en el marco del proyecto CATLAB y apoyado también por la Fundación Alexander von Humboldt, que acaba de publicarse en Nature Communications, arrojan luz sobre la compleja estructura superficial de los sistemas catalíticos que contienen Ga. Este tipo de conocimientos sobre los catalizadores en funcionamiento sólo es posible obtenerlos utilizando las técnicas experimentales más avanzadas en condiciones de reacción. Sólo estableciendo la estructura atómica de la(s) capa(s) de óxido de Ga y su interfaz con el metal de transición en condiciones de trabajo se puede llegar a comprender el mecanismo de reacción de este catalizador de síntesis de metanol.
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