Los catalizadores son emparejadores químicos:acercan otros químicos, aumentando las posibilidades de que reaccionen entre sí y produzcan algo que la gente quiera, como combustible o fertilizante.

Dado que algunos de los mejores materiales catalizadores también son bastante caros, como el platino en el convertidor catalítico de un automóvil, los científicos han estado buscando formas de reducir la cantidad que tienen que usar.

Ahora los científicos tienen su primer directo, Una mirada detallada a cómo un solo átomo cataliza una reacción química. La reacción es la misma que elimina el monóxido de carbono venenoso del escape de los automóviles, y los átomos individuales de iridio hicieron el trabajo hasta 25 veces más eficientemente que las nanopartículas de iridio que contienen de 50 a 100 átomos que se utilizan en la actualidad.

El equipo de investigación dirigido por Ayman M. Karim de Virginia Tech, informó los resultados en Catálisis de la naturaleza .

"Estos catalizadores de un solo átomo son un tema muy candente en este momento, "dijo Simon R. Bare, coautor del estudio y científico distinguido del personal del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía, donde se llevaron a cabo partes clave del trabajo. "Esto nos da una nueva lente para mirar las reacciones, y nuevos conocimientos sobre cómo funcionan ".

Karim agregó, "Hasta donde sabemos, Este es el primer artículo para identificar el entorno químico que hace que un solo átomo sea catalíticamente activo. determinar directamente qué tan activo es en comparación con una nanopartícula, y mostrar que hay diferencias muy fundamentales - mecanismos completamente diferentes - en la forma en que reaccionan ".

¿Es más pequeño realmente mejor?

Los catalizadores son la columna vertebral de la industria química y son esenciales para la refinación de petróleo. donde ayudan a descomponer el petróleo crudo en gasolina y otros productos. Los catalizadores de hoy en día a menudo vienen en forma de nanopartículas adheridas a una superficie que es porosa como una esponja, tan llena de pequeños agujeros que un solo gramo de ella, desplegado, podría cubrir una cancha de baloncesto. Esto crea un área enorme donde pueden tener lugar millones de reacciones a la vez. Cuando el gas o el líquido fluye sobre y a través de la superficie esponjosa, los productos químicos se adhieren a las nanopartículas, reaccionan entre sí y se alejan flotando. Cada catalizador está diseñado para promover una reacción específica una y otra vez.

Pero las reacciones catalíticas tienen lugar solo en las superficies de las nanopartículas, Bare dijo, "y aunque son partículas muy pequeñas, el costoso metal del interior de la nanopartícula se desperdicia ".

Átomos individuales, por otra parte, podría ofrecer lo último en eficiencia. Todos y cada uno de los átomos podrían actuar como catalizadores, agarrando reactivos químicos y manteniéndolos juntos hasta que se unan. Podrías colocar muchos más en un espacio determinado, y ni una pizca de metal precioso se desperdiciaría.

Los átomos individuales tienen otra ventaja:a diferencia de los grupos de átomos, que están unidos entre sí, los átomos individuales están unidos solo a la superficie, por lo que tienen más sitios de unión potenciales disponibles para realizar trucos químicos, lo que en este caso fue muy útil.

La investigación sobre catalizadores de un solo átomo se ha disparado en los últimos años, Karim dijo:pero hasta ahora nadie ha podido estudiar cómo funcionan con suficiente detalle para ver todos los pasos intermedios fugaces a lo largo del camino.

Agarrando un poco de ayuda

Para obtener más información, el equipo observó una reacción simple en la que átomos individuales de iridio dividen las moléculas de oxígeno en dos, y los átomos de oxígeno luego reaccionan con el monóxido de carbono para crear dióxido de carbono.

Utilizaron cuatro enfoques:espectroscopia infrarroja, microscopio de electrones, cálculos teóricos y espectroscopía de rayos X con haces de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, para atacar el problema desde diferentes ángulos, y esto fue crucial para obtener una imagen completa.

"Nunca es solo una cosa la que te da la respuesta completa, ", Dijo Bare." Siempre son varias las piezas del rompecabezas que se unen ".

El equipo descubrió que cada átomo de iridio lo hace, De hecho, realizar un truco químico que mejore su rendimiento. Agarra una sola molécula de monóxido de carbono del flujo de gas que pasa y se aferra a ella, como una persona que se mete un paquete debajo del brazo. La formación de este enlace desencadena pequeños cambios en la configuración de los electrones del átomo de iridio que lo ayudan a dividir el oxígeno. por lo que puede reaccionar con el gas de monóxido de carbono restante y convertirlo en dióxido de carbono de manera mucho más eficiente.

Quedan más preguntas por delante:¿Funcionará este mismo mecanismo en otras reacciones catalíticas, ¿Permitiéndoles funcionar de manera más eficiente oa temperaturas más bajas? ¿Cómo afectan la naturaleza del catalizador de un solo átomo y la superficie sobre la que se asienta su unión con el monóxido de carbono y la forma en que avanza la reacción?

El equipo planea regresar a SSRL en enero para continuar con el trabajo.