Catalizadores doscientas veces mejores gracias al carbono
"Durante mucho tiempo, el uso del carbono como material portador para la catálisis tuvo algo casi mágico"
Cuando se colocan nanopartículas metálicas sobre carbono, éstas se vuelven mucho más activas. Lo que antes sólo se suponía basándose en la experiencia, ahora se puede explicar en detalle por primera vez en la TU Wien (Viena).
Una minúscula nanopartícula de plata (átomos reflectantes en la parte superior) sobre un soporte de carbono. La zona límite (marcas de color) es donde la actividad es mayor.
Technische Universität Wien
El equipo: Günther Rupprechter, Andreas Steiger-Thirsfeld, Michael Stöger-Pollach, Alexander Genest, Thomas Wicht, Thomas Haunold. (de izquierda a derecha)
Technische Universität Wien
Los metales preciosos desempeñan un papel importante en la industria química como catalizadores: Con la ayuda de la plata, el platino, el paladio u otros elementos, pueden producirse reacciones químicas que, de otro modo, no progresarían o lo harían a una velocidad mucho menor. Estos metales suelen utilizarse en forma de minúsculas nanopartículas. Sin embargo, su eficacia también depende de la superficie sobre la que se colocan. Las nanopartículas sobre una base de carbono parecen funcionar especialmente bien.
En la TU Wien, sin embargo, ha sido posible por primera vez medir con precisión y explicar la interacción entre nanopartículas metálicas y un sustrato de carbono. Se descubrió que los átomos de plata en un soporte de carbono son doscientas veces más activos que los átomos en un trozo de plata pura. Las simulaciones por ordenador muestran que la zona en la que la plata está en contacto directo con el carbono es crucial. Con ayuda del intercambio de isótopos de hidrógeno, se desarrolló un método para comprobar la eficacia de los soportes catalizadores de forma más rápida y sencilla.
Del "arte negro" a la ciencia
"Durante mucho tiempo, el uso del carbono como material de soporte para la catálisis tuvo algo de casi mágico", afirma el profesor Günther Rupprechter, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. La fuente de carbono resultó ser importante. Para algunos procesos se utiliza carbono obtenido de cáscaras de coco, fibras o maderas especiales. Este tipo de "recetas" pueden encontrarse incluso en documentos de patentes, aunque en realidad el origen de las sustancias químicas debería ser relativamente irrelevante. "Siempre me pareció un poco como arte negro", dice Günther Rupprechter.
La idea era que los distintos métodos de fabricación podían dar lugar a diferencias químicas o físicas mínimas: ¿quizá el carbono se organiza de forma diferente según el método de fabricación? ¿Quizá contiene trazas de otros elementos químicos? ¿O se acumulan grupos funcionales en la superficie, pequeños bloques moleculares que intervienen en la reacción química?
"En la industria química, la gente suele conformarse con que un proceso funcione y pueda repetirse con fiabilidad", dice Rupprechter. "Pero nosotros queríamos llegar al origen del efecto y entender exactamente qué es lo que realmente ocurre aquí a nivel atómico". También participaron la Universidad de Cádiz (España) y el Centro de Microscopía Electrónica USTEM de TU Wien.
Mediciones de precisión en un microrreactor
En primer lugar, el equipo fabricó muestras que podían caracterizarse con extrema precisión: nanopartículas de plata de tamaño conocido sobre un sustrato de carbono y una fina lámina de plata sin carbono.
Ambas muestras se examinaron en un reactor químico: "La plata puede utilizarse para dividir las moléculas de hidrógeno en átomos individuales", explica Thomas Wicht, primer autor del estudio. "Este hidrógeno puede utilizarse, por ejemplo, para la reacción de hidrogenación del eteno. De forma análoga, también se pueden mezclar moléculas de hidrógeno "ordinario" con moléculas de hidrógeno pesado (deuterio). A continuación, ambas moléculas son disociadas por la plata y recombinadas". Cuanto más activo es el catalizador, con mayor frecuencia se intercambian los dos isótopos de hidrógeno. Esto proporciona información muy fiable sobre la actividad del catalizador.
Así, por primera vez se pudo cuantificar con precisión la diferencia de actividad entre los átomos de plata con y sin soporte de carbono, con resultados espectaculares: "Por cada átomo de plata, el soporte de carbono induce una actividad doscientas veces mayor", afirma Thomas Wicht. "Esto es muy importante para las aplicaciones industriales. Sólo se necesita una dos centésima parte de la cantidad de metales preciosos caros para conseguir la misma actividad, y se puede conseguir simplemente añadiendo carbono, que es comparativamente barato".
El emocionante efecto se produce justo en la frontera
Alexander Genest, del equipo de la Universidad Técnica de Viena, realizó simulaciones por ordenador comparando la activación del hidrógeno por nanopartículas de plata sobre carbono y plata pura. Esto lo dejó claro: la región límite entre las partículas de plata y el soporte de carbono es crucial. El efecto catalizador es mayor exactamente donde ambos entran en contacto. "Así que no se trata del tamaño de la superficie de carbono ni de átomos o grupos funcionales extraños. Se produce un efecto catalizador extremo cuando una molécula reactiva entra en contacto con un átomo de carbono y otro de plata directamente en la interfaz", explica Alexander Genest. Cuanto mayor sea esta zona de contacto directo, mayor será la actividad".
Gracias a este conocimiento, ahora se puede comprobar fácilmente la eficacia de diferentes lotes de carbono procedentes de distintas fuentes. "Ahora que conocemos el mecanismo de acción, sabemos exactamente a qué debemos prestar atención", explica Günther Rupprechter. "Nuestro experimento, en el que exponemos los catalizadores a una mezcla de hidrógeno ordinario y pesado, es relativamente fácil de llevar a cabo y proporciona información muy fiable sobre si esta variante del portador de carbono es también adecuada para otras reacciones químicas o no." Poder explicar los procesos a nivel atómico debería ahorrar ahora tiempo y dinero en el uso industrial y simplificar la garantía de calidad.
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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