Una pequeña cantidad de presión o estiramiento puede producir un gran impulso en el rendimiento catalítico, según un nuevo estudio dirigido por científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC.

El descubrimiento, publicado el 18 de mayo en Comunicaciones de la naturaleza , se centra en un catalizador industrial conocido como óxido de cerio, o ceria, un material esponjoso comúnmente utilizado en convertidores catalíticos, hornos autolimpiantes y diversas aplicaciones de energía verde, como pilas de combustible y separadores de agua solares.

"Ceria almacena y libera oxígeno según sea necesario, como una esponja, "dijo el coautor del estudio Will Chueh, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y científico de la facultad en SLAC. "Descubrimos que estirar y comprimir la ceria en un pequeño porcentaje aumenta drásticamente su capacidad de almacenamiento de oxígeno. Este hallazgo anula la sabiduría convencional sobre los materiales de óxido y podría conducir a mejores catalizadores".

Convertidores catalíticos

Ceria se ha utilizado durante mucho tiempo en convertidores catalíticos para ayudar a eliminar los contaminantes del aire de los sistemas de escape de los vehículos.

"En tu coche, ceria toma oxígeno del venenoso óxido de nitrógeno, creando gas nitrógeno inofensivo, "dijo el autor principal del estudio, Chirranjeevi Balaji Gopal, ex investigador postdoctoral en Stanford. "Ceria luego libera el oxígeno almacenado y lo usa para convertir el monóxido de carbono letal en dióxido de carbono benigno".

Los estudios han demostrado que apretar y estirar la ceria causa cambios a nanoescala que afectan su capacidad para almacenar oxígeno.

"La capacidad de almacenamiento de oxígeno de la ceria es fundamental para su eficacia como catalizador, "dijo la coautora del estudio Aleksandra Vojvodic, ex científico del personal de SLAC ahora en la Universidad de Pennsylvania, quien dirigió el aspecto computacional de este trabajo. "La expectativa teórica basada en estudios previos es que estirar la ceria aumentaría su capacidad para almacenar oxígeno, mientras que la compresión reduciría su capacidad de almacenamiento ".

Para probar esta predicción, el equipo de investigación cultivó películas ultrafinas de ceria, cada uno de unos pocos nanómetros de grosor, sobre sustratos de diferentes materiales. Este proceso sometió a la ceria a una tensión igual a 10, 000 veces la atmósfera de la Tierra. Esta enorme tensión hizo que las moléculas de ceria se separaran y se comprimieran a una distancia de menos de un nanómetro.

Resultados sorpresa

Típicamente, los materiales como la ceria alivian la tensión formando defectos en la película. Pero el análisis a escala atómica reveló una sorpresa.

"Utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución para resolver la posición de átomos individuales, demostramos que las películas permanecen estiradas o comprimidas sin formar tales defectos, permitiendo que el estrés permanezca con toda su fuerza, "dijo Robert Sinclair, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford.

Para medir el impacto del estrés en condiciones operativas del mundo real, los investigadores analizaron las muestras de ceria utilizando los brillantes haces de luz de rayos X producidos en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Los resultados fueron aún más sorprendentes.

"Descubrimos que las películas deformadas mostraban un aumento de cuatro veces en la capacidad de almacenamiento de oxígeno de la ceria, "Dijo Gopal." No importa si lo estiras o lo comprimes. Obtienes un aumento notablemente similar ".

La técnica de alto estrés utilizada por el equipo de investigación se puede lograr fácilmente a través de la nanoingeniería, Añadió Chueh.

"Este descubrimiento tiene implicaciones significativas sobre cómo nanoingeniería de materiales de óxido para mejorar la eficiencia catalítica para la conversión y el almacenamiento de energía, ", dijo." Es importante para el desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido y otras tecnologías de energía verde, incluyendo nuevas formas de producir combustibles limpios a partir de dióxido de carbono o agua ".