Cómo los catalizadores pierden su estabilidad en secreto
Los compuestos orgánicos covalentes son más activos como catalizadores de lo que cabría esperar
Los marcos orgánicos covalentes (COF) son catalizadores menos estables de lo que se pensaba, pero siguen siendo muy activos. Los COF son prometedores catalizadores de diseño, por ejemplo para la producción sostenible de productos químicos y combustibles. Sus propiedades pueden ajustarse de forma muy específica para catalizar una reacción deseada gracias a su capacidad de sintonización precisa, tanto en términos de estructura molecular como de composiciones químicas. Sin embargo, investigadores de la Universidad Ruhr de Bochum (Alemania) y de los Institutos Max Planck de Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF) y de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) han demostrado que la actividad catalítica no la generan los propios COF. En su lugar, los iones de cobalto se desprenden del andamiaje y se transforman en nanopartículas oxídicas que en realidad facilitan la catálisis. El equipo describe los resultados en la revista Advanced Science, publicada en línea el 26 de noviembre de 2024.
"Con los conocimientos adquiridos en este estudio, podremos diseñar catalizadores a partir de marcos orgánicos y nanopartículas que sean significativamente más eficientes que los COF diseñados anteriormente", afirma la profesora Kristina Tschulik, de la Universidad del Ruhr de Bochum y del Clúster de Excelencia RESOLV, a quien se le ocurrió la idea del estudio conjuntamente con la profesora Bettina Lotsch, del MPI-FKF. "Como electroquímica, siempre me he preguntado cómo se produce realmente la actividad catalítica de los COF", explica Kristina Tschulik.
¿Estable en condiciones de reacción adversas?
El grupo de Bochum dirigido por Kristina Tschulik inició una colaboración con investigadores de Stuttgart dirigidos por Bettina Lotsch, expertos en la síntesis de COF. Ambos equipos forman parte del Centro de Investigación Colaborativa 1333, con sede en la Universidad de Stuttgart. Los investigadores del entorno de Pouya Hosseini, Andrés Rodríguez-Camargo y Liang Yao analizaron la actividad catalítica de varios COF que contienen cobalto en la llamada reacción de evolución del oxígeno. Esta reacción se produce en muchas reacciones de importancia industrial, por ejemplo en la electrólisis del agua para producir hidrógeno. "Las condiciones de la reacción de evolución del oxígeno son duras", explica Kristina Tschulik. "En realidad, sólo hay un catalizador -el óxido de iridio- que permanezca estable". Sin embargo, cada vez son más los estudios que señalan que los COF también son estables a largo plazo en esta reacción.
En un primer paso, el equipo de investigación analizó electroquímicamente los COF durante la reacción de evolución del oxígeno. De hecho, la conversión tuvo lugar con una elevada actividad durante varios ciclos. Sin embargo, Kristina Tschulik ya había visto las curvas de potencial de corriente registradas en un contexto diferente. Como parte del Centro de Investigación en Colaboración 247, la científica lleva siete años trabajando con nanopartículas de óxido de cobalto como catalizadores que generan precisamente esta forma de curva. Por ello, el grupo inició una caracterización más compleja del material, con el apoyo de un equipo de investigadores de MPI-SusMat dirigido por Christina Scheu, expertos en microscopía electrónica.
Los andamios evitan que las nanopartículas se aglutinen
Estos análisis demostraron que a partir de los compuestos de andamiaje que contienen cobalto se forman nanopartículas oxídicas de cobalto, que asumen la labor catalítica. Esta conversión tiene lugar inmediatamente cuando el electrodo se sumerge en la solución básica. "Sin embargo, los andamiajes porosos de COF siguen cumpliendo una importante función", afirma Tschulik, explicando otro resultado de los análisis. "Proporcionan un entorno de reacción adecuado y mantienen las nanopartículas en su sitio. Normalmente, las partículas tienden a agregarse, lo que significa que hay menos superficie catalítica accesible y se desactivan".
En su publicación, los autores también aportan sugerencias sobre cómo podrían producirse en el futuro COF cargados de catalizador de forma selectiva, para que permanezcan estables y catalíticamente activos incluso en condiciones de reacción duras.
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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