05.10.2021 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Vista sin precedentes de una única nanopartícula catalizadora en funcionamiento

Los rayos X revelan cambios de composición en la superficie activa en condiciones de reacción

Un equipo de investigación dirigido por el DESY ha utilizado rayos X de alta intensidad para observar una única nanopartícula catalizadora en funcionamiento. El experimento ha revelado por primera vez cómo cambia la composición química de la superficie de una nanopartícula individual en condiciones de reacción, haciéndola más activa. El equipo dirigido por Andreas Stierle, del DESY, presenta sus resultados en la revista Science Advances. Este estudio supone un paso importante hacia una mejor comprensión de los materiales catalíticos reales e industriales.

Los catalizadores son materiales que favorecen las reacciones químicas sin consumirse. En la actualidad, los catalizadores se utilizan en numerosos procesos industriales, desde la producción de fertilizantes hasta la fabricación de plásticos. Por ello, los catalizadores tienen una enorme importancia económica. Un ejemplo muy conocido es el catalizador instalado en los sistemas de escape de los coches. Estos contienen metales preciosos como el platino, el rodio y el paladio, que permiten convertir el monóxido de carbono (CO), altamente tóxico, en dióxido de carbono (CO2) y reducir la cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx), que son perjudiciales.

"A pesar de su uso generalizado y de su gran importancia, todavía desconocemos muchos detalles importantes de cómo funcionan los distintos catalizadores", explica Stierle, director del NanoLab del DESY. "Por eso hace tiempo que queremos estudiar los catalizadores reales en funcionamiento". Esto no es fácil, porque para que la superficie activa sea lo más grande posible, los catalizadores se suelen utilizar en forma de minúsculas nanopartículas, y los cambios que afectan a su actividad se producen en su superficie.

La tensión superficial se relaciona con la composición química

En el marco del proyecto de la UE Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), el equipo del DESY NanoLab ha desarrollado una técnica para etiquetar nanopartículas individuales y así identificarlas en una muestra. "Para el estudio, cultivamos nanopartículas de una aleación de platino y rodio en un sustrato en el laboratorio y etiquetamos una partícula específica", dice el coautor Thomas Keller, del NanoLab de DESY y responsable del proyecto en DESY. "El diámetro de la partícula etiquetada es de unos 100 nanómetros, y es similar a las partículas utilizadas en el catalizador de un coche". Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro.

Utilizando los rayos X de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón ESRF de Grenoble (Francia), el equipo no sólo pudo crear una imagen detallada de la nanopartícula, sino que también midió la tensión mecánica dentro de su superficie. "La tensión superficial está relacionada con la composición de la superficie, en particular con la proporción de átomos de platino y de rodio", explica el coautor Philipp Pleßow, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), cuyo grupo calculó la tensión en función de la composición de la superficie. Al comparar la deformación observada y la calculada en función de la faceta, se pueden extraer conclusiones sobre la composición química de la superficie de la partícula. Las diferentes superficies de una nanopartícula se denominan facetas, al igual que las facetas de una piedra preciosa tallada.

Cuando la nanopartícula crece, su superficie está formada principalmente por átomos de platino, ya que esta configuración se ve favorecida energéticamente. Sin embargo, los científicos estudiaron la forma de la partícula y la deformación de su superficie en diferentes condiciones, incluidas las de funcionamiento de un catalizador de automóvil. Para ello, calentaron la partícula a unos 430 grados Celsius y dejaron que las moléculas de monóxido de carbono y oxígeno pasaran por encima. "En estas condiciones de reacción, el rodio del interior de la partícula se vuelve móvil y migra a la superficie porque interactúa más fuertemente con el oxígeno que el platino", explica Pleßow. Esto también lo predice la teoría.

"Como resultado, la tensión superficial y la forma de la partícula cambian", informa el coautor Ivan Vartaniants, del DESY, cuyo equipo convirtió los datos de difracción de rayos X en imágenes espaciales tridimensionales. "Se produce un enriquecimiento de rodio dependiente de la faceta, por lo que se forman esquinas y bordes adicionales". La composición química de la superficie, así como la forma y el tamaño de las partículas, tienen un efecto significativo en su función y eficacia. Sin embargo, los científicos apenas están empezando a comprender exactamente cómo se relacionan y cómo controlar la estructura y la composición de las nanopartículas. Los rayos X permiten a los investigadores detectar cambios de tan sólo 0,1 por mil en la deformación, lo que en este experimento corresponde a una precisión de unos 0,0003 nanómetros (0,3 picómetros).

Un paso decisivo para analizar los materiales de los catalizadores industriales

"Ahora podemos, por primera vez, observar los detalles de los cambios estructurales en dichas nanopartículas catalizadoras mientras están en funcionamiento", afirma Stierle, científico principal del DESY y profesor de nanociencia en la Universidad de Hamburgo. "Esto es un gran paso adelante y nos está ayudando a entender toda una clase de reacciones que hacen uso de nanopartículas de aleación". Los científicos del KIT y del DESY quieren ahora explorar esto de forma sistemática en el nuevo Centro de Investigación Colaborativa 1441, financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y titulado "Seguimiento de los sitios activos en la catálisis heterogénea para el control de emisiones (TrackAct)".

"Nuestra investigación es un paso importante hacia el análisis de materiales catalíticos industriales", señala Stierle. Hasta ahora, los científicos han tenido que cultivar sistemas modelo en el laboratorio para llevar a cabo este tipo de investigaciones. "En este estudio, hemos llegado al límite de lo que se puede hacer. Con el microscopio de rayos X PETRA IV previsto por DESY, podremos observar partículas individuales diez veces más pequeñas en catalizadores reales, y en condiciones de reacción."

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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