¿Por qué las superficies de óxido de metal se comportan de manera diferente?

El nuevo método de investigación responde a preguntas importantes

15.01.2021 - Austria

Las superficies metálicas juegan un papel como catalizadores para muchas aplicaciones importantes, desde las células de combustible hasta la purificación de los gases de escape de los automóviles. Sin embargo, su comportamiento se ve afectado decisivamente por los átomos de oxígeno incorporados a la superficie.

Este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo, pero hasta ahora no ha sido posible investigar con precisión el papel del oxígeno en superficies complejas punto por punto para comprender el fondo químico a nivel atómico. Esto se ha logrado ahora en la Universidad Técnica de Viena en cooperación con un equipo del Sincrotrón Elettra de Trieste. Se pudo explicar por qué en estudios anteriores se habían obtenido resultados en parte contradictorios: los átomos de oxígeno no se distribuyen uniformemente, sino que se asientan con especial facilidad en lugares muy específicos.

Mediciones de precisión en lugar de valores promedio

"Es un gran desafío examinar una superficie metálica directamente durante la catálisis", dice el Prof. Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. "Por supuesto, se puede poner todo el catalizador en un reactor y medir exactamente qué productos químicos se producen, pero sólo se obtiene un valor medio. No puedes saber qué sitios del catalizador contribuyeron a la reacción química y de qué manera".

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Otra posibilidad es no utilizar un catalizador real, sino una pieza simple, altamente limpia e idealizada de él - como un diminuto cristal único, con propiedades bien conocidas, que luego se puede estudiar bajo el microscopio. En este caso, se obtienen resultados precisos y reproducibles, pero no tienen mucho que ver con las aplicaciones prácticas.

El grupo de investigación dirigido por Günther Rupprechter y Yuri Suchorski combinó por lo tanto las ventajas de ambos enfoques. Utilizan láminas delgadas de rodio, que consisten en pequeños granos. En cada grano, los átomos de la superficie pueden ser dispuestos de manera diferente. En un grano, forman una superficie lisa y regular con los átomos exteriores todos en exactamente el mismo plano; junto a él, los átomos pueden disponerse para formar una estructura más complicada que consiste en muchos pasos atómicos.

Los lugares favoritos de los átomos de oxígeno

Son precisamente estos pasos los que resultan cruciales. "Para la actividad catalítica, el estado de oxidación del catalizador desempeña un papel fundamental, es decir, si el oxígeno se adhiere o no a los átomos de metal", dice Philipp Winkler, el primer autor del documento. "En experimentos anteriores, descubrimos que a menudo se trataba de un cierto estado entre "oxidado" y "no oxidado" - una situación difícil de interpretar".

Sin embargo, esto se puede entender cuando uno se da cuenta de que no todos los granos de la lámina de rodio se oxidan en el mismo grado. La oxidación comienza preferentemente en las esquinas, bordes y escalones - allí es particularmente fácil para los átomos de oxígeno unirse a la superficie. Por lo tanto, diferentes granos con diferentes estructuras superficiales se oxidan en diferentes grados.

El microscopio electrónico y el sincrotrón en Trieste

Esto podría estudiarse utilizando una combinación de tecnologías altamente desarrolladas: "En un microscopio electrónico especial, la muestra es irradiada con luz ultravioleta durante la reacción catalítica y la emisión de electrones resultante se registra con una resolución espacial micrométrica", explica Yuri Suchorski, "esto nos permite determinar exactamente qué granos de la lámina de rodio son particularmente activos catalíticamente". La misma muestra se examina de nuevo con un microscopio completamente diferente: grano por grano con rayos X en el sincrotrón, obteniendo información muy precisa sobre la oxidación superficial de la muestra".

Si se combinan ambos resultados, se puede determinar exactamente qué comportamiento químico es característico de determinadas estructuras. La ventaja clave: es posible examinar toda la lámina de rodio que contiene cientos de granos diferentes en un solo experimento. En lugar de estudiar por separado diminutos cristales individuales, se estudia en condiciones reales una muestra que contiene muchas estructuras diferentes utilizadas para la catálisis, y se obtiene de una sola vez información sobre las propiedades de estas estructuras.

"Este es un paso importante en la investigación de la catálisis", enfatiza Rupprechter. "Ahora ya no tenemos que conformarnos con medir sólo un valor promedio que describe inadecuadamente toda la muestra, sino que podemos realmente entender en detalle qué estructuras atómicas exhiben qué efectos. Esto también permitirá mejorar específicamente importantes catalizadores que se necesitan para muchas aplicaciones en la tecnología energética y medioambiental".

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.

Publicación original

Winkler, P., Zeininger, J., Suchorski, Y. et al.; "How the anisotropy of surface oxide formation influences the transient activity of a surface reaction"; Nat Commun 12, 69 (2021).

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Publicación original

Winkler, P., Zeininger, J., Suchorski, Y. et al.; "How the anisotropy of surface oxide formation influences the transient activity of a surface reaction"; Nat Commun 12, 69 (2021).

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