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(Noticias de Nanowerk) En un estudio publicado en Naturaleza («CEO funcionalX Nanoglue for Robust Atomically Dispersed Catalysts”), un equipo de investigación dirigido por el Prof. ZENG Jie de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China y colaboradores internacionales desarrollaron una nueva estrategia de “nanopegamento” para estabilizar partículas atómicamente dispersas catalizadores catalizadores metálicos.
En el campo de la catálisis heterogénea, los catalizadores metálicos dispersos atómicamente han atraído mucha atención debido a sus propiedades geométricas y electrónicas únicas, su mayor eficiencia atómica y sus sitios activos uniformes. Sin embargo, los átomos de metal altamente dispersos se mueven y aglomeran fácilmente debido a la alta energía superficial, lo que resulta en una baja estabilidad, o interactúan fuertemente con el soporte y se pasivan catalíticamente. Por lo tanto, en catálisis, siempre ha sido difícil obtener centros metálicos “móviles pero no aglomerantes” que puedan mejorar tanto la actividad catalítica como la estabilidad.
Con esto en mente, el equipo de investigación diseñó un nuevo catalizador de ‘nanoisla’ (también llamado nanopegamento) en el que los átomos de metal activos se aíslan en ‘islas’ dentro de las cuales cada uno puede moverse, pero se suprime la migración a las ‘islas’ vecinas, por lo tanto, uno obtiene sitios atómicos “en movimiento pero no aglomerados”.
Para lograr este objetivo, se deben seleccionar materiales adecuados para las “nanoislas” o los portadores. La afinidad entre los átomos metálicos y las “nanoislas” debería ser mucho más fuerte que entre los átomos metálicos y el soporte. De lo contrario, los átomos de metal dejan fácilmente sus propias «nanoislas». Por lo tanto, los investigadores eligieron óxidos con alta afinidad por los átomos metálicos como «islas» (como la ceria) en el modelo de catalizador diseñado y óxidos con interacciones débiles (como la sílice) como soportes para estabilizar las «islas».
Para aislar eficientemente los átomos metálicos, las «islas» en el soporte deben ser lo suficientemente pequeñas en tamaño y suficientemente altas en densidad numérica. Los métodos de síntesis convencionales (como el método de impregnación) tienden a obtener partículas grandes y no uniformes que no son adecuadas como «islas». Por lo tanto, el equipo desarrolló un fuerte método de adsorción electrostática en una solución acuosa. Los átomos de cerio de alta densidad se aplicaron primero a la superficie de sílice, luego se calcinaron para aglomerarlos en «islas» aisladas de menos de dos nanómetros de tamaño.
![Los procesos de fabricación de nanopegamento de ceria funcional y catalizadores de un solo átomo de platino soportados por ceria](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61739_1.jpg)
El próximo desafío es colocar los átomos de metal precisamente en las «nanoislas» y no en el soporte. Con este fin, los investigadores utilizaron nuevamente el método de fuerte adsorción electrostática acompañada de la diferencia en las cargas de punto cero de la ceria y la sílice, a la isla de ceria y la superficie de sílice, que tenían cargas opuestas. El precursor de platino cargado negativamente solo podía ser adsorbido en las «nanoislas» de ceria cargadas positivamente y no en el soporte de sílice cargado negativamente, por lo que los átomos de platino se cultivaron exclusivamente en las islas de ceria. Debido al área limitada de las «nano-islas» ultrapequeñas y la baja concentración del precursor de platino, en promedio se depositó menos de un átomo de platino en cada «isla».
El estudio mostró que los átomos de platino en las «nanoislas» de ceria pueden resistir la sinterización durante la calcinación en aire hasta 600 °C. En particular, se ha demostrado que los átomos de platino en el estado reductor de hidrógeno se mueven dentro de su propia «isla» a temperatura elevada en lugar de difundirse a las «islas» vecinas. Además, la actividad de oxidación de monóxido de carbono del catalizador promovido por hidrógeno aumentó en dos órdenes de magnitud y una excelente estabilidad.
Este trabajo proporciona una nueva estrategia para aumentar tanto la actividad catalítica como la estabilidad. En el futuro, se espera que este concepto de «nanopegamento» se aplique a varias reacciones catalíticas mediante la selección de soportes adecuados, «nanoislas» y átomos de metales activos.
Este trabajo se realizó en colaboración con WANG Yong de la Universidad Estatal de Washington, Bruce C. Gates de la Universidad de California, Davis y LIU Jingyue de la Universidad Estatal de Arizona.
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