Una nueva herramienta pionera impulsará los avances en catálisis
Un método analítico automatizado para acelerar el proceso de descubrimiento de catalizadores de átomo único
Durante décadas, los catalizadores han sido héroes anónimos de la vida cotidiana. Estos caballos de batalla transforman un material de partida en un producto o combustible con menos energía, como la levadura en la fabricación del pan y los catalizadores artificiales para convertir materias primas en combustibles de forma más eficiente y sostenible. Ha surgido una prometedora clase de estas útiles sustancias, denominadas catalizadores de átomo único, y los investigadores necesitan nuevos métodos para comprenderlos mejor. Más concretamente, quieren saber cómo afecta la estructura de los lugares donde se producen las reacciones químicas, llamados sitios activos, a la capacidad del catalizador para acelerar la velocidad de la reacción química, lo que se conoce como actividad.
En un importante paso adelante, investigadores del Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía colaboraron con un equipo de la Universidad de California en Davis (UC Davis) para desarrollar una nueva herramienta informática que puede proporcionar más detalles cuantitativos sobre la estructura de los sitios activos en catalizadores de un solo átomo en mucho menos tiempo, en comparación con los métodos actuales. Los resultados se han publicado en Chemistry-Methods.
Normalmente, un catalizador utiliza un soporte inerte para estabilizar grupos de átomos metálicos de tamaño nanométrico, o nanopartículas metálicas. Durante la catálisis, sólo los átomos de la superficie actúan como sitios activos, dejando sin utilizar los átomos del interior de la nanopartícula. Para aprovechar al máximo cada átomo metálico, los investigadores han tenido una idea prometedora: los catalizadores de átomo único, en los que los átomos metálicos individuales se dispersan en el soporte.
Para diseñar y desarrollar estos catalizadores, los investigadores necesitan comprender la estructura de los sitios activos para poder relacionarla con la actividad. Para conocer mejor la estructura, el equipo utilizó átomos individuales de platino estabilizados en un soporte de óxido de magnesio como caso de estudio para catalizadores similares de átomo único. La autora principal del estudio, Rachita Rana, recientemente doctorada por la UC Davis, utilizó una técnica denominada espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS), que revela el entorno medio alrededor del átomo en el sitio activo, como el número y la distancia de los átomos vecinos. Tradicionalmente, con los datos EXAFS, los investigadores evalúan de decenas a cientos de estructuras candidatas antes de seleccionar la que mejor se ajusta. En su lugar, Rana propuso automatizar el proceso de análisis combinando cálculos teóricos, denominados teoría funcional de la densidad, y EXAFS. La primera versión del software, QuantEXAFS, determinaba la estructura para un tipo de átomo, átomos de platino en este caso.
En realidad, los catalizadores suelen tener tanto átomos individuales como nanopartículas. Partiendo de QuantEXAFS, Rana amplió las capacidades del código para determinar las fracciones de estas dos formas, lo que proporciona información más específica sobre la estructura. "MS-QuantEXAFS no sólo ayuda a identificar los sitios activos, sino que también cuantifica el porcentaje de un sitio específico y automatiza todo el proceso de análisis de datos", explica. "Si se hace esto manualmente, normalmente puede llevar desde unos pocos días hasta meses. Con MS-QuantEXAFS, podrías hacer este análisis de la noche a la mañana en un ordenador local".
Al equipo le gustaría preparar y poner MS-QuantEXAFS a disposición de la comunidad científica. "Esta herramienta tiene mucho que ofrecer a los investigadores de la catálisis", afirma Rana. El coautor y científico distinguido del SSRL, Simon R. Bare, está de acuerdo, y añade que también planean incluirla en las clases de formación, especialmente para la próxima generación de estudiantes.
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