Un mapa para catalizadores monoatómicos
El conocimiento preciso de los entornos atómicos puede ayudar a producir catalizadores monoatómicos más uniformes y, por tanto, más eficaces
Mediante resonancia magnética nuclear, investigadores de la ETH de Zúrich han estudiado los entornos atómicos de átomos individuales de platino en soportes sólidos, así como su orientación espacial. En el futuro, este método podrá utilizarse para optimizar la producción de catalizadores de un solo átomo.
La catálisis, es decir, la aceleración de una reacción química mediante la adición de una sustancia determinada, es muy importante tanto en la industria como en la vida cotidiana. Alrededor del 80 % de todos los productos químicos se producen con ayuda de la catálisis, y tecnologías como los catalizadores de gases de escape o las pilas de combustible también se basan en este principio. Un catalizador especialmente eficaz y versátil es el platino. Sin embargo, dado que el platino es un metal precioso muy raro y caro cuya producción provoca muchas emisionesde CO2, es importante utilizar la menor cantidad posible y, al mismo tiempo, maximizar su eficacia.
Catalizadores con átomos individuales
En los últimos años, los científicos han intentado desarrollar los llamados catalizadores de átomo único, en los que cada átomo contribuye a la reacción química. Estos catalizadores se fabrican depositando átomos de platino en la superficie de un material poroso, por ejemplo carbono dopado con átomos de nitrógeno. Los átomos de nitrógeno actúan como puntos de anclaje a los que pueden adherirse los átomos de platino.
Un equipo de investigadores dirigido por Javier Pérez-Ramírez y Christophe Copéret, del Departamento de Química y Ciencias de la Vida Aplicadas de la ETH de Zúrich, junto con colegas de las Universidades de Lyon y Aarhus, ha demostrado ahora que estos catalizadores de un solo átomo son más complejos de lo que se pensaba. Gracias a la resonancia magnética nuclear, han podido demostrar que los átomos individuales de platino de un catalizador de este tipo pueden tener entornos atómicos muy diferentes, lo que influye en su acción catalítica. En el futuro, este descubrimiento permitirá desarrollar materiales catalíticos más eficaces. Los investigadores acaban de publicar sus hallazgos en la revista científica Nature.
Encuentros fortuitos
Hasta ahora, los átomos de platino sólo podían observarse a través de la "lente" de un microscopio electrónico, lo que resulta impresionante pero no nos dice mucho sobre sus propiedades catalíticas", explica Pérez-Ramírez. Junto con Copéret, pensó en cómo caracterizar los átomos de platino de forma más precisa. La colaboración comenzó con un encuentro casual durante una reunión en el marco del programa NCCR Catalysis.
Tras la reunión, los dos investigadores desarrollaron la idea de probar la resonancia magnética nuclear. Este método, en el que se basa la resonancia magnética de los hospitales y que suele utilizarse para investigar moléculas en los laboratorios, los espines de los núcleos atómicos en un campo magnético estático intenso reaccionan a campos magnéticos oscilantes de una determinada frecuencia de resonancia. En las moléculas, esta frecuencia de resonancia depende de cómo estén dispuestos los distintos átomos dentro de la molécula. "Del mismo modo, las frecuencias de resonancia de los átomos de platino individuales están influidas por sus vecinos atómicos -por ejemplo, carbono, nitrógeno u oxígeno- y su orientación con respecto al campo magnético estático", explica Copéret.
Esto da lugar a muchas frecuencias de resonancia diferentes, como los distintos tonos de una orquesta. Averiguar qué instrumento produce un tono concreto no es fácil. "La suerte quiso que, durante una visita a Lyon, uno de nosotros conociera a un experto en simulación de Aarhus, que estaba allí de visita al mismo tiempo", explica Copéret. Estos encuentros, y las colaboraciones que de ellos se derivan, son esenciales para el progreso científico, añade. Junto con el colaborador de la ETH, el experto en simulación desarrolló un código informático que permitió filtrar los diferentes "tonos" de los átomos de platino en el embrollo.
Cartografía del entorno atómico
En última instancia, esto supuso un gran avance en la descripción de catalizadores de un solo átomo: el equipo de investigación pudo compilar una especie de mapa que muestra el tipo y la posición de los átomos que rodean a los átomos de platino. "Este método analítico marca un nuevo hito en este campo", afirma Pérez-Ramírez.
Con este método, que es ampliamente accesible, se pueden optimizar los protocolos de producción de catalizadores monoatómicos de forma que todos los átomos de platino tengan entornos adaptados. Este es el próximo reto del equipo. "Nuestro método también es importante desde el punto de vista de la propiedad intelectual", dice Copéret: "Poder describir con precisión los catalizadores a nivel atómico nos permite protegerlos mediante patentes".
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Publicación original
Jonas Koppe, Alexander V. Yakimov, Domenico Gioffrè, Marc-Eduard Usteri, Thomas Vosegaard, Guido Pintacuda, Anne Lesage, Andrew J. Pell, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez, Christophe Copéret; "Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures"; Nature, Volume 642, 2025-6-4
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