25.01.2021 - Stanford University

Controlando los catalizadores químicos con luz esculpida

Este trabajo podría informar formas más eficientes - y potencialmente nuevas - de catálisis

Como una persona que interrumpe una pelea de gatos, el papel de los catalizadores en una reacción química es acelerar el proceso y salir de él intactos. Y, así como no todas las casas de un vecindario tienen a alguien dispuesto a intervenir en tal batalla, no todas las partes de un catalizador participan en la reacción. ¿Pero qué pasaría si uno pudiera convencer a las partes no involucradas de un catalizador para que se involucren? Las reacciones químicas podrían ocurrir más rápido o más eficientemente.

Los científicos de materiales de la Universidad de Stanford, dirigidos por Jennifer Dionne, han hecho precisamente eso utilizando técnicas ligeras y avanzadas de fabricación y caracterización para dotar a los catalizadores de nuevas habilidades.

En un experimento de prueba de concepto, varillas de paladio de aproximadamente 1/200 del ancho de un cabello humano sirvieron como catalizadores. Los investigadores colocaron estos nanorodios sobre nanobares de oro que enfocaban y "esculpían" la luz alrededor del catalizador. Esta luz esculpida cambió las regiones de los nanorodios en las que se produjeron las reacciones químicas que liberan hidrógeno. Este trabajo, publicado el 14 de enero en Science, podría ser un primer paso hacia catalizadores más eficientes, nuevas formas de transformaciones catalíticas y potencialmente incluso catalizadores capaces de sostener más de una reacción a la vez.

"Esta investigación es un paso importante en la realización de catalizadores optimizados desde la escala atómica a la escala del reactor", dijo Dionne, profesora asociada de ciencia de materiales e ingeniería que es la autora principal del artículo. "El objetivo es entender cómo, con la forma y composición apropiadas, podemos maximizar el área reactiva del catalizador y controlar qué reacciones están ocurriendo".

Un mini laboratorio

Para poder observar esta reacción se necesitaba un microscopio excepcional, capaz de visualizar un proceso químico activo a una escala extremadamente pequeña. "Es difícil observar cómo cambian los catalizadores en las condiciones de la reacción porque las nanopartículas son extremadamente pequeñas", dijo Katherine Sytwu, una ex-estudiante graduada en el laboratorio de Dionne y autora principal del artículo. "Las características a escala atómica de un catalizador generalmente dictan dónde ocurre una transformación, por lo que es crucial distinguir lo que ocurre dentro de la pequeña nanopartícula".

Para esta reacción en particular - y los experimentos posteriores sobre el control del catalizador - el microscopio también tenía que ser compatible con la introducción de gas y luz en la muestra.

Para lograr todo esto, los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de transmisión ambiental en las instalaciones nanocompartidas de Stanford con un accesorio especial, previamente desarrollado por el laboratorio de Dionne, para introducir la luz. Como su nombre lo sugiere, los microscopios electrónicos de transmisión utilizan electrones para obtener imágenes de las muestras, lo que permite un mayor nivel de aumento que un microscopio óptico clásico, y la característica ambiental de este microscopio significa que se puede añadir gas en lo que de otro modo sería un entorno sin aire.

"Básicamente tienes un mini laboratorio donde puedes hacer experimentos y visualizar lo que está pasando a un nivel casi atómico", dijo Sytwu.

Bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, el paladio rico en hidrógeno liberará sus átomos de hidrógeno. Para ver cómo la luz afectaría esta transformación catalítica estándar, los investigadores personalizaron un nanobar de oro -diseñado usando equipo en las Instalaciones Nanocompartidas de Stanford y la Instalación de Nanofabricación de Stanford- para que se ubicara debajo del paladio y actuara como una antena, recolectando la luz entrante y canalizándola hacia el catalizador cercano.

"Primero necesitábamos entender cómo estos materiales se transforman naturalmente. Luego, empezamos a pensar en cómo podríamos modificar y controlar realmente cómo cambian estas nanopartículas", dijo Sytwu.

Sin luz, los puntos más reactivos de la deshidrogenación son las dos puntas del nanorodo. La reacción viaja entonces a través del nanorodo, expulsando hidrógeno por el camino. Sin embargo, con la luz, los investigadores pudieron manipular esta reacción para que viajara desde el centro hacia afuera o desde una punta a la otra. Basándose en la ubicación de la nanobarra de oro y las condiciones de iluminación, los investigadores lograron producir una variedad de puntos calientes alternativos.

La ruptura de la unión y los avances

Este trabajo es uno de los raros ejemplos que muestran que es posible ajustar el comportamiento de los catalizadores incluso después de su fabricación. Abre un potencial significativo para aumentar la eficiencia a nivel de catalizador único. Un solo catalizador podría desempeñar el papel de muchos, utilizando la luz para realizar varias de las mismas reacciones a través de su superficie o potencialmente aumentar el número de sitios para las reacciones. El control de la luz también puede ayudar a los científicos a evitar reacciones no deseadas y extrañas que a veces ocurren junto a las deseadas. El objetivo más ambicioso de Dionne es desarrollar algún día catalizadores eficientes capaces de descomponer el plástico a nivel molecular y transformarlo de nuevo en su material de origen para su reciclaje.

Dionne enfatizó que este trabajo, y lo que venga después, no sería posible sin las instalaciones y recursos compartidos disponibles en Stanford. (Estos investigadores también utilizaron el Centro de Computación de Investigación de Stanford para hacer su análisis de datos). La mayoría de los laboratorios no pueden permitirse tener este avanzado equipo por su cuenta, así que compartirlo aumenta el acceso y el apoyo de los expertos.

"Lo que podemos aprender sobre el mundo y cómo podemos hacer posible el próximo gran avance está tan críticamente habilitado por las plataformas de investigación compartidas", dijo Dionne, quien también es viceprocuradora asociada senior de plataformas de investigación/instalaciones compartidas. "Estos espacios no sólo ofrecen herramientas críticas, sino una comunidad de investigadores realmente asombrosa".

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.

Hechos, antecedentes, expedientes
  • catalizadores
  • reacciones químicas
  • catálisis
Más sobre Stanford University