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Los científicos han creado un nuevo tipo de catalizador que conducirá a nuevos formas sostenibles de fabricar y utilizar moléculas y proteger el suministro de metales preciosos.
Un equipo de investigación de la Universidad de Nottingham ha diseñado un nuevo tipo de catalizador que combina características que antes se pensaba que eran mutuamente excluyentes y ha desarrollado un proceso para fabricar nanogrupos de metales a gran escala.
En su nueva investigación, publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , demuestran que el comportamiento de los nanoclusters de paladio no se ajusta a las características ortodoxas que definen a los catalizadores como homogéneos o heterogéneos.
Tradicionalmente, los catalizadores se dividen en homogéneos, cuando los centros catalíticos están íntimamente mezclados con moléculas reactivas, y heterogéneo, donde las reacciones tienen lugar en la superficie de un catalizador. Generalmente, los químicos deben hacer concesiones al elegir un tipo u otro, como los catalizadores homogéneos son más selectivos y activos, y los catalizadores heterogéneos son más duraderos y reutilizables. Sin embargo, los nanoclusters de átomos de paladio parecen desafiar las categorías tradicionales, como se demuestra al estudiar su comportamiento catalítico en la reacción de ciclopropanación de estireno.
Los catalizadores permiten casi el 80 por ciento de los procesos químicos industriales que entregan los ingredientes más vitales de nuestra economía, desde materiales (como polímeros) y productos farmacéuticos hasta agroquímicos, incluidos fertilizantes y protección de cultivos. La alta demanda de catalizadores significa que los suministros globales de muchos metales útiles, incluido el oro, platino y paladio, se agotan rápidamente. El desafío es utilizar todos y cada uno de los átomos a su máximo potencial. La explotación de metales en forma de nanoclusters es una de las estrategias más poderosas para aumentar la superficie activa disponible para la catálisis. Es más, cuando las dimensiones de los nanoclusters rompen la escala nanométrica, las propiedades del metal pueden cambiar drásticamente, conduciendo a nuevos fenómenos que de otro modo serían inaccesibles a macroescala.
El equipo de investigación utilizó técnicas analíticas y de imágenes para sondear la estructura, dinámica, y propiedades químicas de los nanoclusters, para revelar el funcionamiento interno de este catalizador inusual a nivel atómico.
El descubrimiento del equipo tiene la clave para desbloquear todo el potencial de la catálisis en química, conduciendo a nuevas formas de fabricar y utilizar moléculas de la forma más eficiente en cuanto a átomos y resiliencia energética.
La investigación fue dirigida por el Dr. Jesum Alves Fernandes, Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow de la Facultad de Química, dijo:"Usamos la forma más directa de hacer nanoclusters, simplemente expulsando los átomos del metal a granel mediante un haz de iones rápidos de argón, un método llamado pulverización catódica con magnetrón. Generalmente, este método se utiliza para hacer revestimientos o películas, pero lo ajustamos para producir nanoclusters metálicos que se pueden depositar en casi cualquier superficie. En tono rimbombante, el tamaño del nanocluster se puede controlar con precisión mediante parámetros experimentales, desde un solo átomo hasta unos pocos nanómetros, de modo que se pueda generar una matriz de nanoclusters uniformes a pedido en segundos ".
Dr. Andreas Weilhard, un investigador postdoctoral de Green Chemicals Beacon del equipo agregó:"Las superficies de los grupos de metal producidas por este método están completamente 'desnudas', y por lo tanto altamente activo y accesible para reacciones químicas que conducen a una alta actividad catalítica ".
Profesor Peter License, El director del Laboratorio GSK Carbon Neutral en la Universidad de Nottingham agregó:"Este método de fabricación de catalizadores es importante no solo porque permite el uso más económico de metales raros, pero lo hace de la manera más limpia, sin necesidad de disolventes o reactivos químicos, generando así niveles muy bajos de residuos, que es un factor cada vez más importante para las tecnologías químicas verdes ".
La Universidad está preparada para embarcarse en un proyecto a gran escala para ampliar este trabajo con investigaciones que conducirán a la protección de elementos en peligro de extinción.
Profesor Andrei Khlobystov, investigador principal de MASI, dijo:"Nuestro proyecto está destinado a revolucionar la forma en que se utilizan los metales en una amplia gama de tecnologías, y romper nuestra dependencia de elementos críticamente amenazados. Específicamente, MASI avanzará en:la reducción de dióxido de carbono (CO 2 ) emisiones y su valorización en productos químicos útiles; la producción de amoníaco 'verde' (NH 3 ) como combustible alternativo de emisión cero y nuevo vector para el almacenamiento de hidrógeno; y la provisión de pilas de combustible y tecnologías de electrolizadores más sostenibles ".
Los nanoclusters metálicos se activan para reacciones con moléculas, que puede ser impulsado por el calor, potencial de luz o eléctrico, mientras que las interacciones sintonizables con los materiales de soporte brindan durabilidad y reutilización de los catalizadores. En particular, Se aplicarán catalizadores MASI para la activación de moléculas difíciles de romper (por ejemplo, N 2 , H 2 y compañía 2 ) en reacciones que constituyen la columna vertebral de la industria química, como el proceso Haber-Bosch.
