Nanohamburguesas con defectos prometedores
Un equipo del DESY halla defectos sorprendentes en diminutas partículas metálicas, lo que podría estimular el desarrollo de catalizadores más eficientes
Los catalizadores son indispensables en muchas industrias: aceleran las reacciones químicas, haciéndolas económicamente viables. Suelen consistir en partículas diminutas, de apenas unos nanómetros, a las que se adhieren las moléculas, lo que les facilita la formación de un enlace con otro reactivo. Los catalizadores no se modifican. Una clase de nanocatalizadores está formada por los metales preciosos platino y rodio y se utiliza, por ejemplo, en la purificación de gases residuales, en la producción de hidrógeno y en pilas de combustible.
La Nano-Burger en acción: las dos "mitades" del catalizador de platino y rodio interactúan con los reactivos en esta simulación.
Science Communication Lab for DESY
El equipo dirigido por Andreas Stierle, físico del DESY, lleva tiempo estudiando estos catalizadores de platino y rodio. Sin embargo, cuando volvieron a analizar las partículas mediante rayos X, se sorprendieron al descubrir que algunas de las nanopartículas no son grumos diminutos y homogéneos, sino que constan de una mitad superior y otra inferior, como las dos mitades de un pan de hamburguesa. Aunque las dos mitades están pegadas, no estaba clara la naturaleza de esta unión ni cómo afecta a las propiedades catalíticas de las nanopartículas.
Para averiguarlo, el equipo de Stierle diseñó un experimento en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón ESRF de Grenoble. Produce un haz de rayos X extremadamente estrecho que puede utilizarse para estudiar nanopartículas individuales", explica Stierle. En concreto, los investigadores utilizaron un método conocido como Imágenes de Difracción Coherente de Bragg (BCDI, por sus siglas en inglés), en el que el haz de rayos X crea un patrón de difracción especial al atravesar la nanopartícula, que es registrado por un detector. A continuación, se pueden utilizar algoritmos especiales para reconstruir cómo están dispuestos los átomos en la red cristalina y dónde se desvían de la estructura regular: distorsiones, defectos y dislocaciones en la red cristalina", explica Ivan Vartanyants, que supervisó las reconstrucciones.
Lo que hizo diferente su experimento fue que las mediciones se realizaron mientras los nanocatalizadores estaban activos. El grupo hizo pasar una corriente de monóxido de carbono y oxígeno sobre las nanopartículas, en cuya superficie el gas se convertía enCO2, a temperaturas de más de 400 grados Celsius. Estos experimentos fueron extremadamente difíciles; teníamos que mantener las nanopartículas fijas dentro de un margen de diez nanómetros para que el haz de rayos X iluminara siempre toda la partícula", explica la primera autora, Lydia Bachmann, que estudia este tema en el marco de su doctorado. Para ello, tuvimos que asegurarnos de que las condiciones eran absolutamente estables".
El resultado fue inesperado: los expertos descubrieron pronunciados defectos en el cristal donde se unen las mitades superior e inferior de las nanoburbujas. Las dos superficies límite no encajaban perfectamente una encima de la otra; faltaban átomos en los bordes exteriores. Estos huecos hacen que todos los átomos cercanos se desplacen, distorsionando y desplazando significativamente la red cristalina.
Lo verdaderamente sorprendente es que estos "defectos" tenían un efecto extremadamente positivo en las propiedades catalíticas de las nanohamburguesas. Los defectos sirven como lugares de absorción únicos para las moléculas", explica Thomas Keller, coautor del estudio. Moléculas como el oxígeno se adhieren muy bien a ellos, lo que aumenta la eficacia del catalizador". En el futuro, estos hallazgos podrían ayudar a la industria a desarrollar catalizadores más eficientes y eficaces, mediante una "ingeniería de defectos" deliberada para crear en las nanopartículas tantos sitios de unión como sea posible, donde las moléculas puedan convertirse.
El equipo tiene previsto seguir trabajando en esta dirección. Entre otras cosas, los científicos quieren saber cómo se crean los defectos en las nanohamburguesas. Las partículas se producen a temperaturas de 1.000 grados centígrados y sospechamos que los defectos se forman cuando las partículas se enfrían rápidamente", explica Stierle, jefe del equipo. Parece que, al ser tan pequeñas, las partículas sufren tensiones térmicas que alteran el orden de apilamiento de las capas cristalinas". Si se comprendiera este proceso en detalle, sería posible optimizar el proceso de fabricación para crear defectos cristalinos específicos que resultaran especialmente eficaces para aumentar el efecto catalítico de las nanopartículas.
Dentro de unos años, los experimentos con la fuente de rayos X PETRA IV del DESY podrían ser de gran ayuda. La sucesora del actual anillo PETRA III producirá rayos X mucho más finos y de enfoque más estrecho que los del ESRF. Esto permitirá estudiar nanopartículas mucho más pequeñas que hasta ahora. Las nanoburbujas que examinamos en Grenoble tenían un tamaño de unos 100 nanómetros", explica Stierle. Las partículas catalíticas que se utilizan hoy en día en la industria suelen tener entre 10 y 20 nanómetros de diámetro. PETRA IV nos permitirá analizar en el futuro estas partículas más relevantes para la industria y observarlas en acción en tiempo real".
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Publicación original
Lydia J. Bachmann, Dmitry Lapkin, Jan-Christian Schober, Daniel Silvan Dolling, Young Yong Kim, Dameli Assalauova, Nastasia Mukharamova, Jagrati Dwivedi, Tobias U. Schulli, Thomas F. Keller, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle; "Coherent X-ray Diffraction Imaging of a Twinned PtRh Catalyst Nanoparticle under Operando Conditions"; ACS Nano, 2025-6-25
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