Nanocatalizadores metálicos: lo que realmente ocurre durante la catálisis
Nuevos conocimientos sobre el comportamiento químico
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Mediante una combinación de espectromicroscopía en BESSY II y análisis microscópicos en el NanoLab del DESY, un equipo ha obtenido nuevos conocimientos sobre el comportamiento químico de los nanocatalizadores durante la catálisis. Las nanopartículas consistían en un núcleo de platino con una cubierta de rodio. Esta configuración permite comprender mejor los cambios estructurales que se producen, por ejemplo, en los catalizadores de rodio-platino para el control de emisiones. Los resultados muestran que, en condiciones catalíticas típicas, parte del rodio de la cáscara puede difundirse al interior de las nanopartículas. Sin embargo, la mayor parte permanece en la superficie y se oxida. Este proceso depende en gran medida de la orientación superficial de las facetas de las nanopartículas.
Esta imagen tomada con un microscopio electrónico de barrido muestra nanopartículas de platino recubiertas de rodio sobre un sustrato conductor. Las facetas cristalinas son claramente visibles en la forma poliédrica de las nanopartículas.
© Arno Jeromin, DESY NanoLab
Las nanopartículas miden menos de una diezmilésima de milímetro de diámetro y tienen enormes superficies en relación con su masa. Esto las hace atractivas como catalizadores: las nanopartículas metálicas pueden facilitar las conversiones químicas, ya sea para la protección del medio ambiente, la síntesis industrial o la producción de combustibles (sostenibles) a partir de CO2 e hidrógeno.
Núcleo de platino con cubierta de rodio
El platino (Pt) es uno de los catalizadores metálicos más conocidos y se utiliza en la catálisis heterogénea en fase gaseosa para el control de emisiones, por ejemplo para convertir el monóxido de carbono tóxico de los gases de escape de los coches procedentes de motores de combustión en CO2 no tóxico . Mezclar partículas de platino con el elemento rodio (Rh) puede aumentar aún más la eficacia", afirma Jagrati Dwivedi, primer autor de la publicación. La ubicación de los dos elementos desempeña un papel importante en este proceso. Las denominadas nanopartículas core-shell, con un núcleo de platino y una cubierta de rodio extremadamente fina, pueden ayudar en la búsqueda de una distribución óptima de los elementos que prolongue la vida útil de las nanopartículas.
Experimentos en BESSY II y DESY NanoLab
Hasta ahora, sin embargo, poco se sabía sobre cómo cambia la composición química de la superficie de un catalizador durante su funcionamiento. Un equipo dirigido por el Dr. Thomas F. Keller, jefe del grupo de microscopía del NanoLab del DESY, ha investigado estas nanopartículas cristalinas de Pt-Rh en BESSY II y ha obtenido nuevos conocimientos sobre los cambios en las facetas de las nanopartículas poliédricas.
Primero se caracterizaron las nanopartículas y se marcaron en sus proximidades mediante microscopía electrónica de barrido y microscopía de fuerza atómica en el DESY NanoLab. A continuación, estos marcadores se utilizaron para analizar las mismas nanopartículas espectroscópicamente y obtener imágenes microscópicas simultáneamente utilizando luz de rayos X en un instrumento especial en BESSY II.
El instrumento SMART del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck permite la microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X (XPEEM) en modo microscopio. Esto hace posible distinguir elementos individuales con alta resolución espacial, permitiendo la observación de procesos químicos en capas atómicas cercanas a la superficie. El instrumento permite el análisis químico de elementos individuales con una resolución de 5-10 nanómetros, lo cual es único", afirma Thomas Keller. La investigación ha demostrado que el rodio puede difundirse parcialmente en los núcleos de platino durante la catálisis: ambos elementos son miscibles a las temperaturas típicas de funcionamiento del catalizador. La mezcla se potencia en un entorno reductor (H2 ) y se ralentiza en un entorno oxidante (O2 ) sin que se invierta el flujo neto de rodio hacia el platino. A temperaturas más altas, este proceso incluso aumenta significativamente", explica Keller.
Diferentes velocidades de reacción
Las velocidades de reacción también dependen de la orientación de las facetas de las nanopartículas. Nuestro estudio de las facetas muestra que la oxidación del rodio es mayor en las facetas con muchos escalones atómicos, donde los átomos se unen más fácilmente". Este análisis detallado del comportamiento de oxidación contribuirá a seguir optimizando estos nanocatalizadores, que pueden sufrir cambios irreversibles durante su uso.
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
Jagrati Dwivedi, Lydia J. Bachmann, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Heshmat Noei, Liviu C. Tănase, Aarti Tiwari, Lucas de Souza Caldas, Thomas Schmidt, Beatriz Roldan Cuenya, Andreas Stierle, Thomas F. Keller; "Spectro-Microscopy of Individual Pt–Rh Core–Shell Nanoparticles during Competing Oxidation and Alloying"; ACS Nano, Volume 19, 2025-7-30
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