12.01.2022 - Ruhr-Universität Bochum

Superficie del catalizador analizada a resolución atómica

Partículas observadas durante el proceso de catálisis

Las superficies de los catalizadores rara vez se han representado con tanto detalle. Sin embargo, cada átomo puede desempeñar un papel decisivo en la actividad catalítica.

Un equipo de investigación germano-chino ha visualizado la estructura tridimensional de la superficie de las nanopartículas catalizadoras con resolución atómica. Esta estructura desempeña un papel decisivo en la actividad y la estabilidad de las partículas. La información detallada se obtuvo mediante una combinación de tomografía de sonda atómica, espectroscopia y microscopía electrónica. Los catalizadores de nanopartículas pueden utilizarse, por ejemplo, en la producción de hidrógeno para la industria química. Para optimizar el rendimiento de los futuros catalizadores, es esencial entender cómo le afecta la estructura tridimensional.

Investigadores de la Ruhr-Universität Bochum, la Universidad de Duisburg-Essen y el Instituto Max Planck para la Conversión de la Energía Química de Mülheim an der Ruhr cooperaron en el proyecto como parte del Centro de Investigación Colaborativa "Catálisis de oxidación heterogénea en fase líquida".

En la RUB, un equipo dirigido por Weikai Xiang y el profesor Tong Li, de Caracterización a Escala Atómica, trabajó junto con la Cátedra de Electroquímica y Materiales a Nanoescala y la Cátedra de Química Industrial. También participaron institutos de Shanghai (China) y Didcot (Reino Unido). El equipo presenta sus resultados en la revista Nature Communications, publicada en línea el 10 de enero de 2022.

Partículas observadas durante el proceso de catálisis

Los investigadores estudiaron dos tipos diferentes de nanopartículas de óxido de hierro y cobalto de unos diez nanómetros. Analizaron las partículas durante la catálisis de la llamada reacción de evolución del oxígeno. Se trata de una reacción intermedia que se produce durante la división del agua para la producción de hidrógeno: el hidrógeno puede obtenerse dividiendo el agua mediante energía eléctrica; en el proceso se produce hidrógeno y oxígeno. El cuello de botella en el desarrollo de procesos de producción más eficientes es la reacción parcial en la que se forma el oxígeno, es decir, la reacción de evolución del oxígeno. Esta reacción modifica la superficie del catalizador, que se vuelve inactiva con el tiempo. Los cambios estructurales y de composición en la superficie desempeñan un papel decisivo en la actividad y la estabilidad de los electrocatalizadores.

En el caso de las nanopartículas pequeñas, con un tamaño de unos diez nanómetros, conseguir información detallada sobre lo que ocurre en la superficie del catalizador durante la reacción sigue siendo un reto. Gracias a la tomografía de sonda atómica, el grupo logró visualizar la distribución de los distintos tipos de átomos en los catalizadores de óxido de hierro y cobalto en tres dimensiones. Combinándolo con otros métodos, mostraron cómo cambiaban la estructura y la composición de la superficie durante el proceso de catálisis, y cómo este cambio afectaba al rendimiento catalítico.

"La tomografía de sonda atómica tiene un enorme potencial para proporcionar información atómica sobre los cambios de composición en la superficie de las nanopartículas catalizadoras durante importantes reacciones catalíticas, como la reacción de evolución del oxígeno para la producción de hidrógeno o la reducción delCO2 ", concluye Tong Li.

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