Nanopartículas catalizadoras en acción
Metal y óxido: sólo tienen éxito en combinación
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¿Qué ocurre exactamente cuando se produce gas de síntesis? Nuevos métodos permiten observar el proceso en tiempo real. De este modo, se responde con detalle a la pregunta de cómo funcionan los catalizadores.
Imágenes de resolución atómica de las estructuras e interfaces de PdO (rojo) y Pd (azul), con la correspondiente ilustración de la superficie de los catalizadores (derecha) y del microrreactor en el microscopio electrónico (izquierda).
TU Wien
Para muchas aplicaciones industriales se necesita gas de síntesis, también conocido como "Syngas", una mezcla de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO). Además del método de producción establecido mediante reformado con vapor, el gas de síntesis puede producirse alternativamente -e incluso de forma más eficiente desde el punto de vista energético- a partir de metano (CH₄) y oxígeno. Sin embargo, en este proceso debe evitarse la oxidación (combustión) total del metano aCO2 y H2O, razón por la cual se investiga intensamente la producción de gas de síntesis en todo el mundo.
Para ello se utilizan catalizadores que contienen elementos como el paladio. Hasta ahora, sin embargo, no estaba claro cómo se producía exactamente la conversión de metano en gas de síntesis en las superficies de paladio. Gracias a una colaboración entre la Universidad Técnica de Viena y la Universidad Nacional de Singapur (NUS), ahora ha sido posible observar el proceso mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución -la llamada TEM operando- combinada con simulaciones computacionales. Los resultados muestran que la reacción requiere una sinergia entre distintas regiones del catalizador.
Paladio y óxido de paladio
"El metano es el principal componente del gas natural. Hoy en día no sólo lo utilizamos para calefacción -lo cual es problemático por razones de calentamiento global-, sino también como materia prima para producir productos químicos y combustibles", afirma el profesor Günther Rupprechter, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. "Por tanto, incluso en el futuro, el metano desempeñará un papel en la generación de gas de síntesis y probablemente no pueda sustituirse por completo en la próxima década".
Por eso hoy se investiga intensamente para encontrar nuevos procesos que produzcan gas de síntesis a partir de metano de forma más eficiente y evitando la sobreoxidación, es decir, la combustión a CO₂ y agua. Este proceso se denomina "oxidación parcial del metano" (POM). "En los últimos años hemos investigado la POM con varios catalizadores, la mayoría a base de níquel", explica Rupprechter.
Un microrreactor en un microscopio electrónico
Ya se sabía que los catalizadores hechos de nanopartículas metálicas funcionan bien. Pero la cuestión pendiente era qué les ocurre exactamente a las nanopartículas metálicas individuales durante la reacción catalítica. "En concreto, queríamos saber: si la reacción se lleva a cabo con nanopartículas de paladio, ¿es el propio paladio el responsable de la catálisis, o el óxido de paladio, que se forma durante la reacción?".
Esta pregunta pudo abordarse ahora por primera vez mediante una combinación de enfoques avanzados: El equipo observó las nanopartículas en tiempo real durante la reacción catalítica mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. Al mismo tiempo, se utilizó la espectrometría de masas para controlar qué productos se formaban y en qué momento, y todo ello se complementó con simulaciones por ordenador. Esta combinación permitió, por primera vez, obtener una imagen mecanicista más precisa del proceso.
¿Cómo funciona el catalizador?
Alexander Genest, del equipo de TU Wien, que antes estaba afiliado al Centro de Computación de Alto Rendimiento A*STAR de Singapur, ha mantenido viva la colaboración entre TU Wien y Singapur a lo largo de los años. "Utilizando modelos computacionales, habíamos estudiado previamente la oxidación de nanopartículas de Pd y la oxidación de CO, por lo que la ampliación a la oxidación de metano era un objetivo muy prometedor", afirma Alexander Genest.
Junto con la doctoranda Parinya (Lewis) Tangpakonsab, realizó simulaciones basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT) para estudiar la activación del metano y los pasos de reacción posteriores. "Queríamos entender el origen de la oxidación parcial y total y aclarar qué ocurre exactamente a nivel atómico", explica Tangpakonsab.
Metal y óxido: éxito sólo en combinación
El resultado fue más complejo de lo esperado: ni el metal ni el óxido metálico por sí solos son responsables de la catálisis; el mejor rendimiento se obtiene cuando ambos trabajan juntos. "Las dos fases asumen tareas diferentes", explica Günther Rupprechter. "El paladio deshidrogeniza el metano a carbono e hidrógeno, mientras que el óxido de paladio oxida el carbono a CO". Esto significa que la catálisis más eficiente puede tener lugar únicamente en las regiones límite entre el paladio y el óxido de paladio.
"Nuestro grupo ya ha sido muy activo en microscopía electrónica de reacciones de oxidación superficial en el pasado, pero este nuevo estudio operando-TEM amplía este trabajo a condiciones industriales". Con el apoyo del Cluster de Excelencia del MECS, pronto dispondremos de celdas de reactor especiales también en la TU Wien para un examen operando-TEM similar", afirma Günther Rupprechter, Director de Investigación del MECS.
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