26.01.2021 - Technische Universität Wien

Átomos individuales como catalizador: Se producen efectos sorprendentes

Durante años, las nanopartículas metálicas utilizadas en los catalizadores se han ido reduciendo cada vez más. Ahora, un equipo de investigación ha demostrado que todo es repentinamente diferente cuando se llega al tamaño más pequeño posible: un solo átomo

Los metales como el oro o el platino se utilizan a menudo como catalizadores. En los convertidores catalíticos de los vehículos, por ejemplo, las nanopartículas de platino convierten el venenoso monóxido de carbono enCO2 no tóxico. Debido a que el platino y otros metales catalíticamente activos son caros y raros, las nanopartículas implicadas se han ido haciendo cada vez más pequeñas con el tiempo.

Los catalizadores de "un solo átomo" son el punto final lógico de esta reducción: El metal ya no está presente como partículas, sino como átomos individuales que están anclados en la superficie de un material de soporte más barato. Los átomos individuales ya no pueden ser descritos usando las reglas desarrolladas a partir de piezas de metal más grandes, por lo que las reglas usadas para predecir qué metales serán buenos catalizadores deben ser renovadas - esto se ha logrado ahora en la TU Wien. Resulta que los catalizadores de un solo átomo basados en materiales mucho más baratos podrían ser incluso más eficaces.

Más pequeño es a veces mejor

Sólo los átomos exteriores de la pieza de metal pueden jugar un papel en los procesos químicos - después de todo, los átomos del interior nunca entran en contacto con el medio ambiente. Por lo tanto, para ahorrar material, es mejor utilizar pequeñas partículas de metal en lugar de grandes grumos, de modo que una mayor proporción de los átomos residan en la superficie. Si vamos al límite final y usamos átomos individuales, cada átomo es químicamente activo. Durante la última década el campo de la catálisis de "un solo átomo" ha crecido dramáticamente, logrando un gran éxito.

Modelo equivocado, solución correcta

"Las razones por las que algunos metales preciosos son buenos catalizadores ya se investigaron en los años 70", dice el profesor Gareth Parkinson del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena. "Por ejemplo, Gerhard Ertl fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 2007 por proporcionar conocimientos a escala atómica en la catálisis."

En una pieza de metal, un electrón ya no puede ser asignado a un átomo específico; los estados electrónicos resultan de la interacción de muchos átomos. "Para los átomos individuales, los viejos modelos ya no son aplicables" dice Gareth Parkinson. "Los átomos individuales no comparten electrones como un metal, por lo que las bandas de electrones, cuya energía era clave para explicar la catálisis, simplemente no existen en este caso".

Por lo tanto, Gareth Parkinson y su equipo han estado investigando intensamente los mecanismos atómicos detrás de esta catálisis de un solo átomo en los últimos años. "En muchos casos los metales que pensamos que son buenos catalizadores siguen siendo buenos catalizadores en forma de átomos individuales" dice Gareth Parkinson. "En ambos casos son los mismos electrones, los llamados electrones d, los responsables de esto."

Propiedades personalizadas a través de superficies adaptadas

En la catálisis de un solo átomo surgen posibilidades completamente nuevas que no están disponibles cuando se utilizan partículas metálicas ordinarias: "Dependiendo de la superficie en la que coloquemos los átomos de metal y de los enlaces atómicos que formen, podemos cambiar la reactividad de los átomos", explica Parkinson.

En algunos casos, los metales especialmente caros como el platino ya no son necesariamente la mejor opción. "Los átomos individuales de níquel son muy prometedores para la oxidación del monóxido de carbono. Si comprendemos los mecanismos atómicos de la catálisis de un solo átomo, tenemos mucho más margen de maniobra para influir en los procesos químicos", dice el Parkinson.

Ocho metales diferentes fueron analizados con precisión de esta manera en la TU Wien - los resultados encajan perfectamente con los modelos teóricos que se han desarrollado ahora en colaboración con el Prof. Cesare Franchini en la Universidad de Viena.

"Los catalizadores son muy importantes en muchas áreas, especialmente cuando se trata de reacciones químicas que juegan un papel importante en los intentos de desarrollar una economía de energía renovable", enfatiza Gareth Parkinson. "Nuestro nuevo enfoque muestra que no siempre tiene que ser de platino". El factor decisivo es el entorno local de los átomos, y si se elige correctamente, se pueden desarrollar mejores catalizadores y al mismo tiempo ahorrar recursos y costes.

  • J. Hulva et al.; "Unravelling CO adsorption on model single-atom catalysts"; Science (2021).

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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