18.12.2020 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Vista tridimensional de los catalizadores en acción

La espectroscopia de rayos X Operando trae nuevas oportunidades para materiales y diagnósticos de reacción

Para comprender la estructura y la función de los catalizadores en acción, los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), en cooperación con colegas de la Fuente de Luz Suiza SLS del Instituto Paul Scherrer (PSI) de Suiza y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrónica (ESRF) de Francia, han desarrollado un nuevo instrumento de diagnóstico. La espectroscopia de rayos X Operando visualiza la estructura y los gradientes de catalizadores técnicos complejos en tres dimensiones, lo que nos permite examinar el funcionamiento de los reactores químicos.

La catálisis es indispensable para muchas ramas. El 95% de todos los productos químicos se producen utilizando catalizadores. Los catalizadores también juegan un papel clave en las tecnologías de la energía y la protección del medio ambiente. Los catalizadores son materiales que se utilizan para acelerar las reacciones químicas con el fin de reducir el consumo de energía y los subproductos no deseados. Este principio químico-físico es la base de sistemas enteros, como por ejemplo los convertidores catalíticos en los automóviles o los catalizadores en las centrales eléctricas para eliminar los contaminantes de sus escapes. Los catalizadores técnicos e industriales también se aplican en la producción de fertilizantes y polímeros. A menudo, deben presentar una alta resistencia a la presión y fuerza mecánica, además de funcionar en condiciones ambientales dinámicas. Incluso los más pequeños aumentos de eficiencia en la eliminación de contaminantes, como el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y el polvo fino, de los gases de escape o en la producción de hidrógeno verde darán lugar a grandes ventajas para los seres humanos y el medio ambiente. Sin embargo, para mejorar los materiales y procesos catalíticos existentes, se requiere una comprensión exacta de su función. "Ya sea en un gran reactor químico, en una batería o debajo de un coche, los catalizadores técnicos e industriales suelen tener una estructura muy compleja", dice el Dr. Thomas Sheppard del Instituto de Tecnología Química y Química de Polímeros (ITCP) del KIT. "Para entender realmente cómo funcionan estos materiales, necesitamos echar un vistazo dentro del reactor cuando el catalizador está funcionando, idealmente con una herramienta analítica para detectar la compleja estructura tridimensional del catalizador activo".

La espectroscopia de rayos X Operando proporciona imágenes 3D e información química importante

Thomas Sheppard dirigió un estudio sobre los con-vertores catalíticos automotrices, cuyos resultados son ahora reportados en Nature Catalysis por los investigadores involucrados de KIT, PSI, y ESRF. Para sus estudios, el equipo utilizó una instalación recientemente desarrollada y llevó a cabo experimentos de tomografía en instalaciones de radiación de sincrotrón en Suiza y Francia. La tomografía computarizada produce imágenes en 3D de una muestra, incluyendo el exterior y el interior, sin necesidad de cortarla. Utilizando un reactor especial, los investigadores realizaron una tomografía y una espectroscopia de rayos X para rastrear un proceso catalítico activo. De esta manera, lograron observar la estructura tridimensional de un catalizador de control de emisiones en condiciones iguales a las de un escape de automóvil real. Esta llamada espectroscopia de rayos X operando proporciona no sólo la estructura 3D de la muestra, sino también importante información química.

Método adecuado para varios catalizadores

"Dado que los catalizadores suelen tener una estructura bastante compleja y no uniforme, es importante saber si todo el volumen del catalizador o sólo partes de él están cumpliendo su función química de forma intencionada", explica Johannes Becher del ITCP, uno de los principales autores del estudio. "La espectroscopia de rayos X operando nos permite ver la estructura y función específica de cada pieza. Esto nos dice si el catalizador está funcionando a su máxima eficiencia o no y, lo que es más importante, nos ayuda a entender los procesos subyacentes". Durante la reacción, el equipo observó un gradiente estructural de la especie de cobre activo dentro del catalizador, que no pudo ser detectado previamente con las herramientas analíticas convencionales. Esta es una información de diagnóstico importante en el rendimiento de los catalizadores de control de emisiones. El método en sí mismo puede aplicarse a muchos catalizadores y procesos químicos diferentes.

Nuevas oportunidades para el diagnóstico de materiales y de reacción

Los estudios del equipo muestran cómo la visualización del estado químico de un catalizador activo en 3D puede aportar nuevas oportunidades para el diagnóstico de materiales y reacciones. "Hasta ahora, no era posible seleccionar libremente ninguna pieza de un catalizador en funcionamiento y comprender qué reacciones tienen lugar allí sin perturbarla. Ahora, podemos seguir exactamente qué reacciones están ocurriendo, dónde y por qué", dice el Profesor Jan-Dierk Grunwaldt del ITCP. "Esta es la clave para mejorar nuestra comprensión de los procesos químicos y diseñar mejores y más eficientes catalizadores en el futuro." Los estudios que utilizan la espectroscopia de rayos X operando pueden llevarse a cabo en diferentes fuentes de radiación de sincrotrón, siempre que exista un entorno de muestra apropiado. Los grupos de Jan-Dierk Grunwaldt y Thomas Sheppard continuarán sus investigaciones como parte del nuevo Centro de Investigación en Colaboración "TrackAct" en el KIT. "TrackAct" tiene como objetivo comprender y mejorar el diseño y la eficiencia de los catalizadores de control de emisiones.

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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