Una nueva herramienta de simulación detecta reacciones catalíticas desconocidas
El método reconoce los mecanismos de reacción sin conocimientos previos de química
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Los óxidos de nitrógeno, que se producen como subproductos no deseados de la combustión, pueden volver a convertirse en nitrógeno molecular utilizando materiales catalizadores porosos. Un equipo de químicos de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) dirigido por el catedrático Dr. Jan Meisner ha investigado las reacciones implicadas y ha desarrollado una nueva herramienta de simulación. En la revista Angewandte Chemie presentan su potencial de aplicación para nuevos catalizadores.
Red de reacciones del SCR. Las especies moleculares están representadas por puntos que se conectan mediante reacciones (líneas). El ciclo de catálisis del SCR, que también se muestra, se extrajo de esta red de reacciones.
Adapted from Fig. 3 from DOI: 10.1002/ange.202514074
Muchos miles de muertes al año se atribuyen a los óxidos de nitrógeno (NOx), que pueden producirse, por ejemplo, en los motores de combustión de los coches a altas temperaturas. Se asocian sobre todo a enfermedades cardiovasculares. Hoy en día, los vehículos de motor deben ir equipados con catalizadores especiales en los que una gran parte de los óxidos de nitrógeno vuelven a transformarse en nitrógeno inofensivo (N2) mediante un proceso conocido como reducción catalítica selectiva (SCR).
Los catalizadores porosos, como las zeolitas, se utilizan para depurar los gases de escape. Tienen superficies (internas) extremadamente grandes y centros activos complejos en los que se pueden catalizar numerosas vías de reacción diferentes. Estas zeolitas tienen poros nanométricos (es decir, del tamaño de la milmillonésima parte de un metro) que actúan como jaulas moleculares: encierran las moléculas reactivas para que reaccionen directamente en los centros activos.
"En estos poros se produce un gran número de reacciones químicas, todas ellas vinculadas y que compiten entre sí. Forman redes de reacción con miles de etapas intermedias. Conocemos muchas reacciones, pero a menudo hay mecanismos completamente nuevos e inesperados que no solemos tener en mente", explica el profesor junior Dr. Jan Meisner, del Instituto de Química Física de la HHU. "En mi grupo de investigación hemos desarrollado un método que utiliza la 'dinámica molecular de nanoreactores periódicos' para reconocer mecanismos de reacción incluso sin conocimientos químicos previos, de modo que la red de reacciones puede explorarse de forma autónoma y automática".
Los cálculos de mecánica cuántica son esenciales para determinar con precisión las velocidades de reacción. Sin embargo, son muy intensivos desde el punto de vista computacional, lo que significa que la dinámica de los átomos y moléculas que reaccionan sólo puede simularse durante un periodo de tiempo muy corto. Con ayuda de la "dinámica molecular de nanoreactores" (NMD), las moléculas reciben un impulso energético adicional, con el que pueden observarse más reacciones químicas en las simulaciones. Los químicos de la HHU han ampliado esta técnica para detectar reacciones muy poco frecuentes en materiales porosos y observar directamente mecanismos hasta ahora desconocidos.
El método abre una nueva perspectiva sobre las redes catalíticas: en lugar de observar los pasos individuales de forma aislada, se hace visible toda la red de reacciones. Esto significa que también pueden descubrirse reacciones secundarias, productos intermedios y mecanismos de reacción complejos.
Daniel Deißenbeck, primer autor del artículo publicado ahora en la revista Angewandte Chemie: "Una característica especial de nuestro enfoque NMD es su poder predictivo: explora el espacio químico de forma independiente y sin suposiciones adicionales, es decir, también 'encuentra' reacciones en las que ni siquiera habíamos pensado". Al evaluar posteriormente los resultados en términos de energía utilizando métodos establecidos, los investigadores obtienen datos termodinámicos significativos para los mecanismos encontrados.
Los químicos de Düsseldorf han aplicado este método a la SCR de óxidos de nitrógeno y sus reacciones secundarias. Especialmente importante es la formación de óxido nitroso (N2O), que aún no se conoce del todo. Este potente gas de efecto invernadero se produce como subproducto indeseable y debe evitarse siempre que sea posible. "Hemos descubierto una ruta impulsada por radicales por la que se produce óxido nitroso que no se daba en modelos anteriores. Nuestros resultados podrían contribuir al desarrollo de catalizadores de gases de escape más eficientes y con menos emisiones", explica Deißenbeck.
Además del nuevo método para investigar redes de reacción, el trabajo de Düsseldorf abre un amplio abanico de aplicaciones en la investigación de la catálisis, por ejemplo para la química sostenible, los procesos de bajas emisiones y el diseño de nuevos catalizadores. Sobre todo, también pueden investigarse las reacciones en otros materiales porosos, como los compuestos organometálicos de entramado y en superficies. Meisner: "A largo plazo, nuestro método puede ayudar a acortar significativamente los ciclos de desarrollo en la investigación de catalizadores, ya que las vías de reacción potencialmente relevantes pueden identificarse sistemáticamente en una fase temprana, lo que permite el diseño de catalizadores específicos."
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 Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; "Reaction Discovery in Porous Materials Using Periodic Nanoreactor Molecular Dynamics"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 65, 2025-12-15
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; "Entdeckung von Reaktionsmechanismen in porösen Materialien mittels periodischer Nanoreaktor‐Molekulardynamik"; Angewandte Chemie, Volume 138, 2026-1-1
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