Concepto de catalizadores de metales preciosos más eficientes
Un nuevo enfoque para la producción de catalizadores que ahorran recursos utiliza diferentes interacciones de metales preciosos con distintos materiales portadores
Más del 90% de todos los productos químicos de nuestra vida cotidiana utilizan un catalizador en su fabricación. Los catalizadores agilizan las reacciones químicas, reducen su consumo de energía y posibilitan algunas de ellas. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han desarrollado un concepto que aumenta la estabilidad de los catalizadores de metales preciosos y reduce la cantidad de metal precioso utilizado. Su estudio se ha publicado como "Very Important Paper" en la revista Angewandte Chemie.
El mejor rendimiento posible de los catalizadores
Los catalizadores de metales preciosos se utilizan en numerosos procesos de la industria química. Reducir la cantidad de metal precioso utilizado es una contribución importante a la conservación de los recursos. "Nuestro método mejora drásticamente la estabilidad del catalizador y garantiza la formación de grupos activos de metales preciosos incluso con bajos contenidos de metales preciosos", afirma la Dra. Daria Gashnikova, del Instituto de Química Técnica y Química de Polímeros (ITCP) del KIT y autora principal del estudio. Para conseguir el mejor rendimiento posible del catalizador con el menor uso posible de metales preciosos, los investigadores del ITCP analizaron átomo por átomo los catalizadores soportados más utilizados. En estos catalizadores soportados, el material sobre el que tiene lugar la reacción está finamente distribuido sobre un material portador en forma de pequeñas nanopartículas. Estas agrupaciones son dinámicas y cambian su estructura en función de las condiciones de reacción. Pueden combinarse entre sí y crecer hasta convertirse en partículas más grandes, de modo que haya menos átomos superficiales disponibles para la reacción. Sin embargo, también pueden desintegrarse en átomos individuales que no pueden hacer su trabajo por sí solos. Ambos factores reducen el rendimiento de los catalizadores. Los investigadores del ITCP resuelven este problema en su novedoso concepto utilizando las diferentes interacciones de los metales preciosos con distintos materiales portadores.
Material portador de nuevo diseño: los átomos de metales preciosos se acumulan en "islas" de óxido de cerio
"Los metales preciosos, como el paladio, se unen fuertemente al óxido de cerio, pero sólo interactúan débilmente con el óxido de aluminio", explica Gashnikova. "Por eso aplicamos paladio a diminutas 'nanoislas' de óxido de cerio, que a su vez se distribuyeron finamente sobre óxido de aluminio", señala la científica. La optimización del material portador garantiza que los átomos del metal precioso se acumulen preferentemente en las islas de óxido de cerio. La distancia entre las islas, por un lado, y la movilidad limitada del paladio cuando está sobre óxido de cerio, por otro, impiden tanto la formación de grupos demasiado grandes como la descomposición del paladio en átomos individuales. El tamaño de las agrupaciones de metales preciosos viene definido por el número de átomos de metal precioso que hay en cada una de las islas de óxido de cerio. "El sueño es caminar por esta fina línea dorada durante toda la vida útil del catalizador y, si es posible, estabilizar pequeñas partículas formadas por sólo entre diez y 50 átomos", afirma el profesor Jan-Dierk Grunwaldt, miembro del equipo directivo del ITCP y portavoz del Centro de Investigación Colaborativa (CRC) 1441 "TrackAct".
Centro de Investigación en Colaboración 1441 "TrackAct
En el SFB 1441 TrackAct, financiado por la Fundación Alemana de Investigación, más de 20 grupos de investigación interdisciplinarios trabajan para comprender mejor los procesos catalíticos fundamentales. El concepto desarrollado en el ITCP es uno de los resultados clave del CRC, que se puso en marcha en 2021 y en el que KIT está llevando a cabo investigaciones junto con TU Munich y el Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. "La comprensión fundamental de la estructura y el mecanismo de los catalizadores nos proporcionará una especie de caja de herramientas con la que podremos diseñar catalizadores óptimos para cada proceso individual de una manera eficiente y basada en el conocimiento", afirma el Dr. Florian Maurer, coordinador de TrackAc " y coautor del estudio.
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Publicación original
Daria Gashnikova, Florian Maurer, Eric Sauter, Sarah Bernart, Jelena Jelic, Paolo Dolcet, Carina B. Maliakkal, Yuemin Wang, Christof Wöll, Felix Studt, Christian Kübel, Maria Casapu, Jan‐Dierk Grunwaldt; "Highly Active Oxidation Catalysts through Confining Pd Clusters on CeO2 Nano‐Islands"; Angewandte Chemie International Edition, 2024-7-17
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