La selectividad de los catalizadores como "acto de equilibrio"
El estudio sugiere un cambio en la forma en que los químicos deben concebir la catálisis heterogénea
Investigadores de los Departamentos de Química Inorgánica del Instituto Fritz Haber revelaron cómo los cambios estructurales en la superficie y en la región masiva del catalizador de óxido de cobalto Co3O4 influyen en su selectividad en la producción de sustancias químicas de interés industrial como la acetona. Descubrieron que un estado metaestable, estructuralmente "atrapado", presenta la mayor actividad catalítica, un hallazgo importante para el diseño de catalizadores.
Imágenes microscópicas de los experimentos de TEM operando: Cambios de la estructura superficial de las nanopartículas de catalizador observados al alterar la temperatura.
© FHI
La catálisis heterogénea, piedra angular de la industria química
Desde la síntesis del amoníaco hasta la producción de plásticos, la catálisis heterogénea es un proceso fundamental en la industria química. El catalizador suele estar en forma sólida, mientras que otros reactivos son líquidos o gaseosos, lo que resulta ideal para separar los productos de reacción al final. Por ello, se está invirtiendo una gran cantidad de investigación en el desarrollo y perfeccionamiento de catalizadores heterogéneos. Este estudio hace hincapié en que deben tenerse en cuenta los descubrimientos relativos a los procesos en la superficie del catalizador.
El papel de la selectividad en la catálisis
El catalizador ideal puede promover preferentemente una reacción específica y deseada cuando son posibles múltiples reacciones: es selectivo. Esta propiedad, que puede controlarse mediante el diseño del catalizador, es crucial para los procesos industriales, ya que mejora la pureza del producto y ahorra energía, al evitar engorrosos procesos de separación del producto tras la reacción. Sin embargo, a menudo no está claro qué determina exactamente la selectividad a nivel molecular. Para entenderlo, el equipo de investigadores de nuestro instituto utiliza métodos operando que les permiten observar los catalizadores "en funcionamiento".
Nuevos conocimientos sobre la oxidación catalítica
En su reciente estudio, el equipo de investigación arroja luz sobre un importante proceso industrial catalizado heterogéneamente en el que la selectividad desempeña un papel importante: la oxidación de isopropanol (2-propanol) a acetona utilizando óxido de cobalto (Co₃O₄) para la catálisis térmica. Combinan la espectroscopia de rayos X operando y la microscopia electrónica de transmisión operando para obtener una visión más profunda del rendimiento del catalizador, en particular de cómo influyen en él los procesos que tienen lugar en la superficie del catalizador y en su interior (la región masiva).
¿Cómo influyen las reacciones superficiales en el rendimiento del catalizador?
La comparación de las mediciones de la actividad del catalizador en un reactor y la información operando sobre los cambios estructurales durante el funcionamiento del catalizador arrojan dos fases de actividad: una por debajo y otra por encima de los 200 °C. A menor temperatura, una red de procesos en estado sólido como la difusión y la formación de defectos distorsionan la estructura del catalizador, lo que controla las propiedades catalíticas del Co3O4, mientras que a mayor temperatura domina el ordenamiento de los cristales.
Curiosamente, la combinación ideal de actividad y selectividad se encuentra a 200 °C, es decir, en el límite entre las dos fases. Aquí, el catalizador puede considerarse atrapado en una transición entre dos estados energéticamente equivalentes, en la que pequeños cambios en las condiciones pueden hacer que el sistema oscile entre estos estados. Es deseable mantener el catalizador en este estado para optimizar su rendimiento. Esto puede lograrse creando unas condiciones de trabajo óptimas, pero también puede mejorarse mediante el diseño del catalizador y un pretratamiento adecuado.
Importancia de los resultados
Las conclusiones del estudio ponen en tela de juicio el diseño convencional de catalizadores. El estudio sugiere que esforzarse por conseguir un catalizador cristalino "perfecto y estable" a veces puede no ser lo óptimo. Por el contrario, los autores demuestran aquí que los cambios estructurales de la superficie determinan de forma crítica la actividad y selectividad de los catalizadores de oxidación. Su metodología -que combina espectroscopia operando, microscopía y mediciones de actividad- establece un punto de referencia sobre cómo estudiar catalizadores en condiciones realistas, captando comportamientos dinámicos que resultan invisibles en los análisis utilizados habitualmente.
Por último, el estudio sugiere incluso un cambio en la forma en que los químicos deben concebir la catálisis heterogénea: Las superficies de los catalizadores ya no deben percibirse sólo como estáticas, sino como materiales dinámicos en los que la reestructuración interna, la química de los defectos y las transiciones metaestables tienen una gran importancia.
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Publicación original
Thomas Götsch, Daniel Cruz, Patrick Zeller, Anna Rabe, Maik Dreyer, Nicolas Cosanne, Frank Girgsdies, Jasmin Allan, Michael Hävecker, Anna Efimenko, Mihaela Gorgoi, Sharif Najafishirtari, Malte Behrens, Robert Schlögl, Axel Knop-Gericke, Thomas Lunkenbein; "Local solid-state processes adjust the selectivity in catalytic oxidation reactions on cobalt oxides"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-11-18
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