Catalizadores de metales de transición, como el níquel y el cobalto, se utilizan ampliamente en la industria para producir hidrógeno y otros compuestos útiles a partir del gas natural. Los investigadores logran esta transformación a través del reformado con vapor, que es el proceso de calentar metano con vapor en presencia del catalizador, produciendo así hidrógeno y monóxido de carbono.

Los metales de transición son conocidos por sus capacidades catalíticas superiores y los investigadores saben que las reacciones más significativas ocurren en la superficie de los catalizadores. Hasta aquí, la búsqueda de catalizadores aún mejores se ha basado en gran medida en prueba y error, y en el supuesto de que las reacciones catalizadas tienen lugar en los bordes de los escalones y otros sitios de defectos atómicos de los cristales metálicos.

Un equipo de investigación internacional de Suiza, Los países bajos, y Estados Unidos ha combinado experimentos que utilizan técnicas avanzadas de infrarrojos con la teoría cuántica para explorar las reacciones de disociación del metano con todo lujo de detalles. Por primera vez, su investigación muestra exactamente dónde ocurren las reacciones más significativas en la superficie del catalizador. Los investigadores se centraron en el platino (Pt) como catalizador para descomponer el metano, pero el modelo se puede aplicar a otros catalizadores de metales de transición, como el níquel. Informan sus hallazgos esta semana en La Revista de Física Química , de AIP Publishing.

"Una teoría predictiva probada con precisión química podría cambiar la forma en que uno busca nuevos catalizadores y hacer que la búsqueda sea más eficiente y más barata, "dijo Rainer Beck, coautor del artículo y profesor de ciencia e ingeniería química en la cole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL).

A escala atómica, la superficie de un catalizador de platino (así como otros cristales metálicos) puede constar de pasos, gradas, y otros defectos que se consideran "sitios" importantes en el proceso catalítico.

El equipo de investigación utilizó bombeo de láser infrarrojo para excitar las moléculas de metano en estados cuánticos de rotación y vibración seleccionados. Luego, los investigadores utilizaron espectroscopia infrarroja de reflexión-absorción (RAIRS) para detectar la disociación del metano en los diversos sitios del cristal de Pt (211). RAIRS es una técnica no intrusiva que permite a los investigadores monitorear reacciones químicas en tiempo real durante la deposición de, en este caso, metano en la superficie de Pt mediante el registro de curvas de absorción específicas del sitio para las especies de metilo quimisorbidas en los sitios de escalones y terrazas. Basado en estas medidas, Luego, los investigadores pueden determinar los niveles de reactividad del metano en cada uno de los sitios.

Los investigadores también emplearon el modelo hamiltoniano de la ruta de reacción, un marco de teoría cuántica, para calcular la superficie de energía potencial y explorar la dinámica durante las reacciones químicas. Sus hallazgos mostraron que las reacciones de disociación son al menos dos órdenes de magnitud más eficientes en los escalones que en las terrazas. Es más, no tuvo lugar ninguna reacción en un tercer tipo de sitio de superficie ubicado entre los escalones y la terraza (denominados "átomos de esquina").

"Demostramos que es posible utilizar la detección RAIRS para mediciones específicas de estado y sitio de superficie de la reactividad del metano y comparar el efecto de la excitación vibratoria sobre la reactividad en los escalones y terrazas de la superficie de un catalizador, ", Dijo Beck." Esta nueva área de estudio proporciona otro nivel de detalle en la detección de productos de disociación del metano ".