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En un informe publicado en Naturaleza.
Los procesos de fabricación de nanopegamento de ceria funcional y catalizadores de un solo átomo de platino con soporte de ceria. Crédito de la foto: Equipo del Prof. Jie Zeng
El catalizador de metal disperso atómicamente ha atraído mucha atención en el campo de la catálisis heterogénea debido a sus características geométricas y electrónicas únicas, eficiencia atómica superior y sitios activos uniformes.
Sin embargo, debido a la alta energía superficial, los átomos metálicos altamente distribuidos migran y se aglomeran fácilmente, lo que da como resultado una estabilidad limitada. Alternativamente, interactúan intensamente con el soporte y se pasivan catalíticamente. Como resultado, obtener centros metálicos “móviles pero no aglomerantes” que puedan mejorar la actividad catalítica y la estabilidad ha sido un gran desafío en catálisis.
Con esto en mente, los investigadores desarrollaron un nuevo catalizador de ‘nanoisla’ (también conocido como nanopegamento) en el que los átomos de metal activos se aíslan en ‘islas’ donde cada uno puede moverse, pero se inhibe la migración a las ‘islas’ vecinas, lo que resulta en Sitios atómicos móviles pero no aglomerantes.
Para lograr este objetivo, se tuvieron que seleccionar materiales adecuados para “nano-islas” y portadores. La afinidad de los átomos metálicos por las “nanoislas” debería ser mucho más fuerte que la afinidad de los átomos metálicos por el soporte; De lo contrario, los átomos de metal pueden formar fácilmente sus propias «nanoislas».
Como resultado, en el modelo de catalizador diseñado, los investigadores utilizaron óxidos con alta afinidad por los átomos metálicos como «islas» (como la ceria) y óxidos con interacciones débiles (como la sílice) como soportes para estabilizar las «islas».
Para aislar adecuadamente los átomos de metal, las «islas» en el soporte tenían que ser lo suficientemente pequeñas y densas. Los métodos de síntesis tradicionales (por ejemplo, la impregnación) producen partículas enormes y no uniformes que no son aptas para su uso como «islas».
Los investigadores desarrollaron un sólido mecanismo de adsorción electrostática en una solución acuosa. Los átomos de cerio de alta densidad se depositaron primero en la superficie de sílice y luego se calcinaron en «islas» aisladas de menos de dos nanómetros de tamaño.
La siguiente tarea fue disponer los átomos de metal con precisión en las «nanoislas» en lugar de en el soporte. Con este fin, los investigadores aplicaron el enfoque de adsorción electrostática fuerte con una diferencia en el punto de carga cero de ceria y sílice a islas de ceria y superficies de sílice con carga opuesta.
El precursor de platino cargado negativamente solo podía adsorberse en «nanoislas» de ceria cargadas positivamente en lugar de soportes de sílice cargados negativamente, lo que significa que los átomos de platino solo se generaban en islas de ceria. Debido al pequeño tamaño de las «nano-islas» ultrapequeñas y la baja concentración de precursor de platino, cada «isla» recibió menos de un átomo de platino en promedio.
La investigación demostró que los átomos de platino en las «nanoislas» de ceria pueden soportar la sinterización durante la calcinación con aire a temperaturas de hasta 600 °C. En particular, se ha demostrado que los átomos de platino migran dentro de su propia «isla» en lugar de expandirse a las «islas» vecinas en condiciones de reducción de hidrógeno a temperaturas elevadas.
Además, la actividad de oxidación de monóxido de carbono del catalizador promovido por hidrógeno aumentó en dos órdenes de magnitud y una excelente estabilidad.
Esta investigación presenta una técnica novedosa para aumentar la actividad catalítica y la estabilidad. Se espera que este concepto de «nanopegamento» se aplique a muchas reacciones catalíticas en el futuro mediante la selección de soportes adecuados, «nanoislas» y átomos de metales activos.
Yong Wang de la Universidad Estatal de Washington, Bruce C. Gates de la Universidad de California, Davis y Jingyue Liu de la Universidad Estatal de Arizona colaboraron en este proyecto.
Referencia de la revista:
Li, X. y otros. (2022) Nanoadhesivos CeOx funcionales para catalizadores robustos dispersos atómicamente. Naturaleza. doi.org/10.1038/s41586-022-05251-6.
Fuente: https://english.cas.cn/
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