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  • Evolución de un nanocatalizador bimetálico

    La imagen TEM del catalizador de nanopartículas bimetálicas de platino / cobalto en acción muestra que durante la reacción de oxidación, los átomos de cobalto migran a la superficie de la partícula, formando una película epitaxial de óxido de cobalto, como agua sobre aceite.

    (Phys.org) —Las instantáneas a escala atómica de un catalizador de nanopartículas bimetálicas en acción han proporcionado información que podría ayudar a mejorar el proceso industrial mediante el cual los combustibles y los productos químicos se sintetizan a partir del gas natural. carbón o biomasa vegetal. Una colaboración de laboratorio multinacional dirigida por investigadores con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha analizado la evolución más detallada de la evolución de las nanopartículas bimetálicas de platino / cobalto durante las reacciones en gases de oxígeno e hidrógeno.

    "Utilizando microscopía electrónica de transmisión (TEM) con corrección de aberraciones in situ, descubrimos que durante la reacción de oxidación, los átomos de cobalto migran a la superficie de la nanopartícula, formando una película epitaxial de óxido de cobalto, como agua sobre aceite, "dice Haimei Zheng, un científico del personal de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley que dirigió este estudio. "Durante la reacción de reducción de hidrógeno, los átomos de cobalto vuelven a migrar a la masa, dejando una monocapa de platino en la superficie. Esta información atómica proporciona un punto de referencia importante para diseñar y diseñar mejores catalizadores bimetálicos en el futuro ".

    Zheng, recibió en 2011 un premio DOE Office of Science Early Career Award, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Nano letras titulado "Revelación de la reestructuración atómica de nanopartículas de Pt-Co". Los coautores de Berkeley son Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin-Wang Wang, Miquel Salmeron y Gabor Somorjai. Otros coautores son Chong-Min Wang y Libor Kovarik, del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), Eric Stach del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL), y Arda Genc de FEI Company en Oregon.

    Los catalizadores bimetálicos están atrayendo una atención considerable de la industria química en estos días porque en muchos casos ofrecen rendimientos superiores a sus contrapartes monometálicas. También existe la posibilidad de ajustar sus actuaciones catalíticas para satisfacer necesidades específicas. Un catalizador bimetálico de particular interés implica el emparejamiento de platino, el estándar de oro de los catalizadores monometálicos, con cobalto, un catalizador menor pero que es dramáticamente más barato que el platino. El catalizador de platino / cobalto no solo se considera un sistema modelo para el estudio de otros nanocatalizadores bimetálicos, también es un excelente promotor del proceso Fischer-Tropsch ampliamente utilizado, en el que mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono se convierten en carbonos de cadena larga para su uso como combustibles o en pilas de combustible de baja temperatura.

    "Si bien se han realizado muchos estudios sobre platino / cobalto y otros catalizadores bimetálicos, falta información sobre cómo se desarrollan las reacciones atómicamente y cómo se ve la morfología, "Dice Zheng." Para adquirir esta información era necesario mapear las estructuras atómicas en ambientes reactivos in situ, lo cual hicimos usando TEM especialmente equipados ".

    Los experimentos de TEM ambiental in situ se llevaron a cabo tanto en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, que se encuentra en PNNL, y en el Centro de Nanomateriales Funcionales de BNL. Las imágenes de TEM con corrección de aberración ex situ se realizaron en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab utilizando TEAM 0.5, TEM más potente del mundo.

    "Este trabajo es un excelente ejemplo de trabajo en equipo colaborativo entre varios institutos, "Dice Zheng." Tener acceso a recursos de tan alto nivel y poder formar colaboraciones tan estrechas en equipo fortalece nuestra capacidad para abordar problemas científicos desafiantes ".

    Los estudios de TEM con corrección de aberración in situ de Zheng y sus colegas revelaron que debido a un desajuste de tamaño entre las celosías de la película epitaxial de óxido de cobalto y la superficie de platino, el enrejado de óxido de cobalto se somete a presión en la interfaz para encajar en el enrejado de platino. A medida que la energía de la tensión se relaja, la película de óxido de cobalto comienza a romperse para formar islas moleculares distintas en la superficie del platino. Esto reduce el área de superficie de reacción efectiva por volumen y crea vacíos catalíticos, ambos impactan el desempeño catalítico general.

    "Teniendo en cuenta esta segregación de los átomos de platino y cobalto, se puede predecir la tensión interfacial que surge durante la oxidación, "Dice Zheng." Entonces podemos diseñar catalizadores de nanopartículas para asegurar que durante las reacciones el material con mayor rendimiento catalítico esté en la superficie de las nanopartículas ".

    Zheng agrega que la capacidad de observar detalles a escala atómica de la evolución de la estructura de las nanopartículas en sus entornos reactivos no solo abre el camino a una comprensión más profunda de la catálisis de nanopartículas bimetálicas, también permite el estudio de una variedad más amplia de sistemas de nanopartículas donde las vías de reacción siguen siendo difíciles de alcanzar.


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