Para algunos catalizadores cristalinos, lo que ves en la superficie no siempre es lo que obtienes a granel, según dos estudios dirigidos por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía.

Los investigadores descubrieron que el tratamiento de un cristal de óxido complejo con calor o productos químicos provocó que diferentes átomos se segregaran en la superficie. es decir., reconstrucción de superficies. Esas diferencias crearon catalizadores con comportamientos diferentes, lo que alentó diferentes vías de reacción y finalmente dio lugar a productos distintos.

Mediante el uso de tratamientos térmicos y químicos, Los diseñadores de catalizadores pueden impulsar reacciones químicas de importancia industrial para mejorar los rendimientos de los productos deseados y reducir los productos no deseados, por lo que los costos de separación posteriores a la reacción pueden reducirse significativamente.

"La superficie de un catalizador es un campo de juego para que las moléculas realicen la reacción química, "dijo el químico de ORNL Zili Wu, el autor principal de dos artículos recientes sobre el efecto de la composición atómica de la superficie de un catalizador en la química ácido-base. "Si puede ajustar su catalizador para obtener el producto deseado, es decir., lograr una alta selectividad, reducirá los productos secundarios. Entonces no necesita tanto una separación química posterior costosa y que consume mucha energía ".

Los investigadores encuestaron cuatro catalizadores de perovskita, un cristal de óxido mixto hecho de celdas unitarias cúbicas de composición atómica ABO3, con A como catión de metal de tierras raras (ion cargado positivamente), B como catión de metal de transición y O como oxígeno.

El tratamiento de una perovskita con calor resultó en un catalizador con más átomos de A en su superficie, científicos, incluidos los primeros coautores Guo Shiou Foo y Felipe Polo-Garzón, informaron en Catálisis ACS . En cambio, el tratamiento de la misma perovskita con productos químicos produjo más átomos de B en la superficie, científicos, incluido el primer autor Polo-Garzón, informaron posteriormente en Edición internacional Angewandte Chemie .

Los científicos fueron los primeros en estudiar sistemáticamente cómo las diferentes composiciones de la superficie de la perovskita afectan la catálisis ácido-base. El conocimiento adquirido podría proporcionar una ruta para la conversión selectiva de biomasa en productos químicos de valor agregado.

Para probar el rendimiento ácido-base de los catalizadores de perovskita tratados, los investigadores estudiaron una reacción modelo, la conversión de isopropanol, básicamente, frotar alcohol. Dependiendo de las condiciones previas al tratamiento, la perovskita podría convertir selectivamente el alcohol en propileno, un bloque de construcción de plástico, a través de una reacción de deshidratación, o acetona, un solvente industrial, a través de una reacción de deshidrogenación.

"El isopropanol se adapta a la superficie de su catalizador, "Wu explicó." Si tienes una superficie básica (una superficie dominada por AOx), hará la reacción catalizada por una base (a acetona). Si tiene una superficie ácida (una superficie dominada por BOx), se adapta a esa ruta (al propileno). Así que el isopropanol es una buena molécula de sonda para indicarle la composición de la superficie del catalizador ".

Los experimentos mostraron que era posible una amplia gama de sintonización con diferentes tratamientos. El mismo material de partida de perovskita, sometidos a diferentes tratamientos, podría producir un producto deseado, como acetona o propileno, en una amplia gama, del 25 al 90 por ciento.

En experimentos que Wu concibió, Foo y Polo-Garzón utilizaron difracción de rayos X para caracterizar la mayor parte de un catalizador y numerosas técnicas para caracterizar su superficie. Para saber si el elemento A o B predominó en la superficie de la perovskita si el catalizador se sometió a pretratamientos térmicos o químicos, Shi-Ze Yang, supervisado por Matthew Chisholm, hizo microscopía electrónica de transmisión de barrido de nanopartículas de catalizador, mientras que Foo utilizó microcalorimetría de adsorción y espectroscopia infrarroja. Dispersión de iones de baja energía, realizado en la Universidad de Lehigh, disparó un ion a una nanopartícula, y la energía perdida cuando el ión rebotó reveló detalles de composición de la capa de la superficie superior, que es fundamental para la catálisis. Las lecciones aprendidas sobre la composición de la superficie de todos estos experimentos ayudaron a Victor Fung y De-en Jiang en cálculos basados ​​en la teoría para predecir las vías de reacción. Polo-Garzón y Elizabeth Bickel, estudiante de verano de la Universidad Tecnológica de Tennessee, realizaron mediciones que confirmaron el impacto de la segregación superficial en las propiedades catalíticas ácido-base del material de perovskita.

¿Que sigue? A los investigadores les gustaría explorar más a fondo los procesos de reconstrucción de las superficies del catalizador de perovskita con diferentes facetas de terminación. "La geometría y la composición del catión y el anión [ión con carga negativa] se organizan de manera diferente cuando tienes diferentes facetas, ", Explicó Wu." Eso puede darte una reactividad química bastante diferente ". Los investigadores actualmente están ampliando su trabajo para ajustar las terminaciones superficiales de las perovskitas para comprender y optimizar las reacciones de oxidación y reducción más allá de las ácido-base. que podría usarse en la conversión de gas de esquisto (principalmente metano) en sustancias químicas valiosas.

El título de la Edición internacional Angewandte Chemie el artículo es "Control de la selectividad de la reacción a través de la terminación superficial de los catalizadores de perovskita".

El título de la Catálisis ACS el artículo es "Reactividad ácido-base de catalizadores de perovskita probada mediante conversión de 2-propanol sobre titanatos y zirconatos".