17.11.2021 - Technische Universität Wien

Catalizadores: Envenenados y muy vivos al mismo tiempo

Un descubrimiento sorprendente: Un catalizador parece contradecir las leyes habituales y puede mostrar estados de actividad completamente diferentes al mismo tiempo

A veces, las reacciones químicas en el laboratorio funcionan como uno se las imagina, y a veces no. Ninguna de las dos cosas es inusual. Sin embargo, lo que sí es muy inusual es lo que ha observado ahora un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena al estudiar la oxidación del hidrógeno en un catalizador de rodio: La superficie de una lámina de rodio puede ser muy activa desde el punto de vista químico en algunas regiones de la superficie, mientras que en otras, a pocos micrómetros, es completamente inactiva, y aún en otras se producen oscilaciones entre el estado activo y el inactivo. Hasta ahora, este comportamiento se consideraba casi inconcebible. Los resultados, que se han publicado ahora en la revista científica "Nature Communications", lo demuestran: La catálisis es más complicada de lo que se pensaba.

Principio básico de la pila de combustible

"Con la ayuda de catalizadores como el rodio metálico se puede oxidar el hidrógeno, que es la reacción básica de las pilas de combustible, produciéndose únicamente agua como "gas residual", explica el profesor Yuri Suchorski, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. Las moléculas de hidrógeno se mantienen en la superficie de rodio y se dividen en átomos individuales, que luego se combinan con el oxígeno para formar agua.

Sin embargo, puede ocurrir que una capa de oxígeno cubra por completo la superficie de rodio, de modo que el hidrógeno ya no puede llegar a los átomos de rodio en absoluto. "En este caso, se dice que la superficie del catalizador está envenenada", explica el profesor Günther Rupprechter, director del proyecto de investigación. "El catalizador ya no puede cumplir su función, la reacción se detiene".

Que el catalizador cumpla su función o se envenene depende de parámetros externos, como la presión y la temperatura de los reactivos. Pero la lámina de rodio muestra un comportamiento extraño en el experimento: aunque todas las zonas de la superficie están expuestas a las mismas condiciones externas: algunas zonas pueden estar catalíticamente activas, otras envenenadas y completamente inactivas, y otras alternan entre un estado activo y otro inactivo con diferentes frecuencias. "Esto parece tan insólito que hasta ahora ni siquiera podíamos imaginar que algo así fuera posible", afirma Philipp Winkler, primer autor del estudio.

Unas investigaciones más detalladas, que el equipo de la Universidad Técnica de Viena llevó a cabo en el Sincrotrón Elettra de Trieste junto con sus colegas italianos, pudieron explicar las observaciones: la superficie policristalina del rodio está compuesta por diferentes granos dispuestos en distintos ángulos. Esto significa que la disposición de los átomos en la superficie difiere de un grano a otro.

"La dinámica de la reacción química es sorprendentemente sensible a la orientación de los granos y, por tanto, a la estructura atómica de la superficie", afirma Yuri Suchorski. "En el caso del rodio, las diferencias entre las propiedades catalíticas de las estructuras individuales son mucho mayores de lo esperado, por lo que es posible que distintos granos se comporten de forma completamente diferente al mismo tiempo y en las mismas condiciones. En este caso, el comportamiento oscilante es especialmente interesante".

Conejos y zorros

Se conocen procesos similares en ámbitos científicos muy diferentes, por ejemplo, en los modelos de depredador-presa: Si nacen muchos conejos, los zorros tienen mucho que comer, entonces al año siguiente nacen más zorros hambrientos y el número de conejos disminuye. Al igual que en el caso de los conejos y los zorros, la interacción entre el hidrógeno y el oxígeno es un sistema que se encuentra en equilibrio dinámico o que puede oscilar entre diferentes estados. Aunque las poblaciones de conejos y zorros sean inicialmente las mismas en todas partes, pueden producirse evoluciones temporales muy diferentes en distintos lugares, por ejemplo, porque los conejos pueden esconderse mejor de los zorros en ciertos lugares que en otros. Del mismo modo, las diferentes dinámicas químicas surgen en distintos granos de la superficie del rodio.

Estos resultados aportan una idea importante que tiene gran trascendencia para la investigación de la catálisis en su conjunto: no basta con describir un catalizador de forma global; hay que tener en cuenta su estructura microscópica local y contar con el hecho de que puede mostrar un comportamiento bastante diferente en distintos lugares. "Estamos seguros de que estos efectos son significativos para muchos catalizadores y reacciones diferentes", afirma Günther Rupprechter. "En cualquier caso, aún queda mucho por hacer en este campo de investigación".

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