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(noticias nanowerk) Los catalizadores abren caminos para que las reacciones químicas se produzcan de forma más rápida y eficiente, y el desarrollo de nuevas tecnologías catalíticas es una parte crucial de la transición a la energía verde.
El laboratorio de la pionera en nanotecnología Naomi Halas en la Universidad de Rice ha descubierto un enfoque transformador para aprovechar el poder catalítico de las nanopartículas de aluminio recociéndolas en varias atmósferas de gas a altas temperaturas.
Según un estudio publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Los investigadores y colaboradores de Rice demostraron que cambiar la estructura de la capa de óxido que recubre las partículas altera sus propiedades catalíticas, convirtiéndolas en una herramienta versátil que puede adaptarse a las necesidades de diferentes contextos de uso, desde la producción de combustibles sostenibles hasta reacciones a base de agua. .
«El aluminio es un metal que se encuentra en la Tierra y que se utiliza en muchas aplicaciones estructurales y tecnológicas», dijo Aaron Bayles, ex estudiante graduado de Rice y autor principal del artículo. «Todo el aluminio está recubierto con una superficie de óxido y hasta ahora no sabíamos cómo se ve la estructura de esta capa de óxido natural en las nanopartículas. Este fue un factor limitante que impidió el uso generalizado de nanopartículas de aluminio».
Las nanopartículas de aluminio absorben y dispersan la luz con notable eficiencia debido a la resonancia de plasmón superficial, un fenómeno que describe la oscilación colectiva de los electrones en la superficie del metal en respuesta a la luz de longitudes de onda específicas. Al igual que otras nanopartículas plasmónicas, el núcleo de nanocristal de aluminio puede actuar como una antena óptica a nanoescala, lo que lo convierte en un catalizador prometedor para reacciones basadas en la luz.
«Casi todos los productos químicos, todos los plásticos que utilizamos todos los días provienen de un proceso catalítico, y muchos de estos procesos catalíticos se basan en metales preciosos como el platino, el rodio, el rutenio y otros», dijo Bayles.
«Nuestro objetivo final es revolucionar la catálisis y hacerla más accesible, eficiente y respetuosa con el medio ambiente», dijo Halas, profesor universitario del más alto rango académico de Rice. «Al aprovechar el potencial de la fotocatálisis plasmónica, estamos allanando el camino hacia un futuro mejor y más sostenible».
El grupo Halas ha desarrollado nanopartículas de aluminio para reacciones de fotocatálisis plasmónica, como la descomposición de agentes de guerra química peligrosos y la producción eficiente de productos químicos básicos. La capacidad recientemente descubierta para modificar los óxidos de la superficie de las nanopartículas de aluminio aumenta aún más su versatilidad para su uso como catalizadores para convertir eficientemente la luz en energía química.
«Cuando se realiza una reacción catalítica, las moléculas de la sustancia que se desea convertir interactúan con la capa de óxido de aluminio y no con el núcleo de metal de aluminio, pero este núcleo de nanocristal metálico es excepcionalmente capaz de absorber la luz de manera muy eficiente y «convertirla». «Energía, mientras que la capa de óxido desempeña el papel de un reactor y transfiere esa energía a las moléculas reactivas», dijo Bayles.
Las propiedades de la capa de óxido de las nanopartículas determinan cómo interactúan con otras moléculas o materiales. El estudio aclara la estructura de esta capa de óxido nativo en nanopartículas de aluminio y muestra que tratamientos térmicos simples, como calentar las partículas a temperaturas de hasta 500 grados Celsius (932 Fahrenheit) en varios gases, pueden cambiar su estructura.
«La fase cristalina, la tensión dentro de las partículas y la densidad de los defectos se pueden cambiar mediante este sencillo enfoque», dijo Bayles. “Al principio estaba convencido de que los tratamientos térmicos no tendrían ningún efecto, pero los resultados me sorprendieron”.
Uno de los efectos del tratamiento térmico fue que las nanopartículas de aluminio eran más capaces de facilitar la conversión de dióxido de carbono en monóxido de carbono y agua.
«Tal cambio en la capa de óxido de aluminio afecta sus propiedades catalíticas, particularmente la reducción de dióxido de carbono controlada por la luz, lo que significa que las nanopartículas podrían ser útiles para producir combustibles sostenibles», dijo Bayles, ahora becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable.
Bayles añadió que la capacidad de “utilizar abundante aluminio en lugar de metales preciosos podría tener enormes implicaciones para combatir el cambio climático y allanar el camino para mejoras similares en otros materiales”.
«Fue relativamente fácil llevar a cabo estos tratamientos y lograr grandes cambios en el comportamiento catalítico, lo cual es sorprendente ya que se sabe que la alúmina no es reactiva: es muy estable», dijo Bayles. «Entonces, con algo que sea un poco más reactivo, como el óxido de titanio o el óxido de cobre, se podrían ver efectos aún mayores».
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