La vida secreta de los catalizadores
Nuevos descubrimientos en reacciones químicas
Científicos del Departamento de Ciencias de la Interfaz del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck, en colaboración con científicos de la línea de luz del Helmholtz-Zentrum de Berlín, han logrado un avance en el campo de la electrocatálisis. Su última investigación, publicada en la revista Nature Materials, arroja luz sobre cómo los catalizadores pueden adoptar formas imprevistas durante el proceso de reducción de nitratos. El estudio, titulado "Revealing Catalyst Restructuring and Composition During Nitrate Electroreduction through Correlated Operando Microscopy and Spectroscopy" (Revelación de la reestructuración y composición de los catalizadores durante la electrorreducción del nitrato mediante microscopía operatoria y espectroscopia correlacionadas), ofrece nuevas perspectivas que podrían allanar el camino hacia un diseño más eficiente de los catalizadores.
© FHI
Comprender los catalizadores: La clave para mejorar las reacciones químicas
Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas sin consumirse en el proceso. Son cruciales en muchas aplicaciones industriales, desde la producción de combustibles hasta la fabricación de productos farmacéuticos. Sin embargo, comprender cómo se comportan estos catalizadores mientras funcionan siempre ha sido un reto. Esto se debe a que los catalizadores pueden cambiar su estructura (tamaño y forma) y composición cuando se les aplica un potencial eléctrico, de forma parecida a como un camaleón cambia de color para mimetizarse con diferentes entornos. Se supone que, al igual que el camaleón, el catalizador se transformará rápidamente en su estado preferido (estado activo) una vez aplicado el potencial eléctrico.
Un enfoque multimodal para estudiar los catalizadores
El equipo de investigadores empleó una combinación única de técnicas avanzadas para demostrar que esta suposición no es válida en determinadas condiciones. En primer lugar, utilizaron un método llamado microscopía electrónica de transmisión de celda líquida electroquímica (EC-TEM) para seguir precatalizadores cúbicos de Cu2Oen condiciones en las que participaban en la reacción de reducción de nitrato que aquí se utiliza para generar amoníaco verde. Esta técnica les permitió ver cómo cambiaban los catalizadores, concretamente los precatalizadores cúbicos de Cu2O, durante la reacción. A continuación, utilizaron una combinación de microscopía/espectroscopía de rayos X y espectroscopía Raman para comprobar si los precatalizadores se transformaban en la fase metálica de Cu esperada durante la reacción, y si dicha transformación era homogénea en todas las partículas del nanocatalizador.
Hallazgos clave: El papel de la cinética redox
Un hallazgo significativo del estudio es que los cubos de Cu2Ono se transforman rápidamente en el estado metálico preferido y pueden permanecer como una mezcla de Cu metálico, óxido de Cu e hidróxido de Cu durante mucho tiempo durante la operación. La composición de esta mezcla y la forma de los catalizadores evolucionados dependen en gran medida del potencial eléctrico aplicado, del entorno químico circundante y de la duración de la reacción.
Implicaciones para la selectividad del amoníaco
Una gran motivación para estudiar la reducción de nitratos es explorar su potencial para reciclar los nitratos residuales convirtiéndolos de nuevo en amoníaco, un ingrediente clave en los fertilizantes para la producción de alimentos. Hasta ahora, nuestras estrategias para optimizar este proceso se han basado en esperar que los catalizadores adopten sus formas más favorables durante la reacción. Esta investigación allanará el camino hacia nuevas formas de diseñar los precatalizadores basados en Cu que sean mejores para producir amoníaco.
Conclusión
El Dr. See Wee Chee, jefe de grupo del Departamento de Ciencias de la Interfaz y autor correspondiente del estudio, subraya: "Es inesperado que obtengamos diferentes fases durante la reacción, especialmente cuando partimos de una única forma de un precatalizador de un solo elemento. Y lo que es más importante, este estado mixto puede mantenerse durante mucho tiempo, lo que constituye una información valiosa si queremos diseñar catalizadores más eficientes."
Esta investigación también demuestra cómo las técnicas avanzadas de observación en tiempo real, capaces de captar las diferencias químicas locales, pueden ayudarnos a comprender la compleja naturaleza de los catalizadores en funcionamiento".
La profesora Beatriz Roldán, directora del Departamento de Ciencias de la Interfaz del FHI y coautora del trabajo, declaró "Industrialmente, el NH3 se sintetiza mediante el método de catálisis térmica Haber-Bosch en fase gaseosa, que tiene lugar a temperaturas moderadas (450-550 °C) pero presiones elevadas (150 bar) con un gran consumo de H2 generado a partir de combustibles fósiles. El reto que abordamos aquí fue encontrar un método alternativo para la síntesis de NH3 con emisiones de carbono reducidas. Esto se consiguió siguiendo una ruta electrocatalítica directa impulsada por electricidad renovable".
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Publicación original
Aram Yoon, Lichen Bai, Fengli Yang, Federico Franco, Chao Zhan, Martina Rüscher, Janis Timoshenko, Christoph Pratsch, Stephan Werner, Hyo Sang Jeon, Mariana Cecilio de Oliveira Monteiro, See Wee Chee, Beatriz Roldan Cuenya; "Revealing catalyst restructuring and composition during nitrate electroreduction through correlated operando microscopy and spectroscopy"; Nature Materials, 2025-1-24
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