Cuando los imanes no se ponen de acuerdo: la mecánica cuántica descifra el catalizador del hierro
Hacia catalizadores más eficaces para reducir las emisiones mundiales de CO2
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Los catalizadores son indispensables para la producción a gran escala de muchas sustancias químicas, ya que aceleran las reacciones químicas. Algunos de ellos contienen átomos metálicos, como el hierro, como componentes clave. Los electrones de cada átomo de hierro poseen un pequeño momento magnético, el llamado espín. Cuando varios átomos de hierro se encuentran en un catalizador, la orientación de sus espines es crucial. Un equipo de investigadores de la Universidad de Viena logró descifrar el modo de acción de un catalizador a base de hierro mediante cálculos de mecánica cuántica. Demostraron que el fenómeno de superposición estabiliza el catalizador y lo hace más eficaz.
Célula MIL-101(Fe) con el centro de hierro triangular ampliado alrededor del oxígeno central (rojo oscuro). El espín del tercer hierro, marcado con un signo de interrogación, debe elegir entre alfa (arriba) y beta (abajo), lo que significa que nunca puede haber la misma cantidad de ambos tipos. El tercer átomo tiene el espín frustrado.
© Dr. Johannes Dietschreit
La síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno es un proceso químico clave, utilizado principalmente para la producción de fertilizantes, y actualmente representa en torno al 2 % del consumo mundial de energía. La búsqueda de nuevos catalizadores más eficaces para la producción de amoníaco es, por tanto, un factor importante para reducir las emisiones mundiales deCO2.
Un candidato prometedor es el MIL-101(Fe), un marco metalorgánico (MOF) en el que tres átomos de hierro se disponen en forma triangular alrededor de un átomo de oxígeno central. Paralelamente a los estudios experimentales, los investigadores llevan años intentando comprender la estructura y las propiedades de este material mediante simulaciones por ordenador, con el fin de desentrañar los mecanismos que subyacen a su actividad catalítica a nivel atómico.
Hasta ahora, se suponía que los espines de los tres átomos de hierro estaban alineados en paralelo. El equipo dirigido por Leticia González (Facultad de Química) y Georg Kresse (Facultad de Física), ambos miembros del Cluster de Excelencia de la FWF "Materiales para la Conversión y el Almacenamiento de Energía (MECS)" , ha demostrado ahora que los espines están idealmente alineados de forma antiparalela entre sí. Sin embargo, como cada átomo de hierro tiene dos vecinos, esta condición no puede cumplirse para los tres simultáneamente: dos de los tres átomos de hierro pueden cumplir el requisito, pero el tercero siempre está paralelo a un vecino y antiparalelo al otro. Los físicos se refieren a esto como un estado de espín frustrado.
"Es como si tres personas intentaran sentarse alrededor de una mesa redonda y cada una quisiera sentarse justo enfrente de la otra. Eso no es posible para los tres al mismo tiempo, lo que lleva a la frustración de uno de ellos", explica Patrick Lechner, primer autor del estudio publicado en Angewandte Chemie International Edition.
A diferencia de la física clásica, estos estados pueden describirse "satisfactoriamente para todas las partes" mediante la mecánica cuántica: todas las disposiciones posibles coexisten simultáneamente en forma de la llamada superposición. Las distintas configuraciones de espín existen todas al mismo tiempo, y el sistema global sólo puede describirse con precisión si se consideran todas estas posibilidades. Este principio recuerda al famoso experimento mental de Schrödinger con el gato que está simultáneamente vivo y muerto hasta que se mide su estado: una situación similar ocurre con la frustración de espín. "Esta frustración magnética, que sólo puede explicarse mediante una superposición de diferentes estados cuánticos, estabiliza la estructura del catalizador y permite una interacción especialmente eficaz con pequeñas moléculas de gas como el N2 y el CO, lo que explica su actividad catalítica", explica González.
El estudio sobre estos clústeres triangulares de hierro, publicado en Angewandte Chemie International Edition, podría contribuir a largo plazo a aumentar la eficiencia y el rendimiento de este tipo de catalizadores y allanar así el camino hacia una producción de amoníaco más sostenible.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Patrick Lechner, Gaurab Ganguly, Michael J. Sahre, Georg Kresse, Johannes C. B. Dietschreit, Leticia González. Spin Frustration Determines the Stability and Reactivity of Metal-Organic Frameworks with Triangular Iron(III)-oxo Clusters. In Angew. Chem. Int. Ed. (2025)
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