(noticias nanowerk) Los catalizadores son esenciales para numerosas tecnologías químicas, desde la purificación de gases de escape hasta la producción de sustancias químicas y fuentes de energía valiosas. A menudo se añaden pequeñas trazas de sustancias adicionales a los catalizadores para hacerlos muy eficaces. Estas sustancias se denominan «promotores». Aunque desempeñan un papel crucial en la tecnología, son notoriamente difíciles de estudiar.
En la mayoría de los casos, determinar qué cantidad de promotor tiene qué efecto sobre un catalizador ha sido un proceso de prueba y error. Sin embargo, investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena han logrado observar directamente el papel de los promotores del lantano en la oxidación del hidrógeno. Utilizando métodos de microscopía de última generación, visualizaron el papel de los átomos de La individuales. Su estudio encontró que dos áreas de superficie del catalizador actúan como marcapasos, similar a los directores de una orquesta. El promotor juega un papel crucial en su interacción al controlar los marcapasos.
Las tesis centrales
Investigación
Los resultados de este estudio han sido publicados ahora en la revista científica. comunicación de la naturaleza (“Marpasos de reacción modulada por lantano en una sola nanopartícula catalítica”).
Sigue la reacción en vivo
«Muchos procesos químicos utilizan catalizadores en forma de pequeñas nanopartículas», afirma el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. Si bien el rendimiento de los catalizadores se puede determinar fácilmente analizando productos, no se pueden obtener conocimientos microscópicos con este enfoque.
Eso ahora ha cambiado. Durante varios años, Günther Rupprechter y su equipo han desarrollado métodos sofisticados que permiten observar directamente nanopartículas individuales durante una reacción química. Esto permite observar cómo cambia la actividad en diferentes lugares de estas nanopartículas a lo largo de la reacción.
«Utilizamos nanopuntas de rodio que se comportan como nanopartículas», afirma Günther Rupprechter. «Por ejemplo, pueden servir como catalizadores cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar moléculas de agua: la reacción que estamos estudiando en detalle».
Fluctuando entre “activo” e “inactivo”
En los últimos años, el equipo de la Universidad Técnica de Viena ya ha podido demostrar que diferentes zonas de las superficies de las nanopartículas presentan comportamientos diferentes: fluctúan entre un estado activo y un estado inactivo. A veces la reacción química deseada ocurre en ciertos lugares, pero otras veces no.
Con la ayuda de microscopios especiales se demostró que en cada nanopartícula se producen en paralelo diferentes vibraciones de este tipo que se influyen entre sí. Ciertas regiones de la superficie de las nanopartículas, que a menudo tienen sólo unos pocos diámetros atómicos de ancho, desempeñan un papel más importante que otras: actúan como «marcapasos» altamente eficientes e incluso controlan las oscilaciones químicas de otras regiones.
Los promotores ahora pueden intervenir en este comportamiento del marcapasos, y esto es exactamente lo que los investigadores han investigado utilizando métodos desarrollados en la Universidad Técnica de Viena. Cuando se utiliza rodio como catalizador, el lantano puede servir como acelerador de reacciones catalíticas. Se colocaron átomos de lantano individuales sobre la pequeña superficie de una nanopartícula de rodio. Se examinó la misma partícula tanto en presencia como en ausencia del promotor. Este enfoque reveló en detalle la influencia específica de los átomos de lantano individuales en el curso de la reacción química.
El lantano lo cambia todo
Maximilian Raab, Johannes Zeininger y Carla Weigl realizaron los experimentos. «La diferencia es enorme», afirma Maximilian Raab. «Un átomo de lantano puede unirse al oxígeno, y esto cambia la dinámica de la reacción catalítica». La pequeña cantidad de lantano cambia el acoplamiento entre diferentes áreas de la nanopartícula.
«El lantano puede desactivar específicamente determinados marcapasos», explica Johannes Zeininger. “Imagínese una orquesta con dos directores: escucharíamos música bastante compleja. El organizador se asegura de que sólo quede un marcapasos, lo que hace que la situación sea más fácil y ordenada”.
Además de las mediciones, el equipo, con el apoyo de Alexander Genest y Yuri Suchorski, desarrolló un modelo matemático para simular el acoplamiento entre las regiones individuales de la nanopartícula. Este enfoque ofrece una forma más potente que antes de describir la catálisis química: no sólo basándose en la entrada y la salida, sino en un modelo complejo que tiene en cuenta cómo las diferentes áreas del catalizador cambian entre actividad e inactividad y entre sí, controladas por la influencia de los promotores. .
