Los investigadores de la Universidad de Brown han desarrollado una nueva teoría para explicar por qué estirar o comprimir los catalizadores metálicos puede hacer que funcionen mejor. La teoría, descrito en la revista Catálisis de la naturaleza , podría abrir nuevas posibilidades de diseño para nuevos catalizadores con nuevas capacidades.

Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas. La gran mayoría de la catálisis industrial involucra superficies sólidas, a menudo metales, que catalizan reacciones en líquidos o gases. Un convertidor catalítico en un automóvil, por ejemplo, utiliza catalizadores metálicos para eliminar las toxinas de los gases de escape. También hay interés en utilizar catalizadores metálicos para convertir el dióxido de carbono en combustibles, fabrican fertilizantes a partir del nitrógeno atmosférico y provocan reacciones en los coches de pila de combustible.

Las investigaciones realizadas en los últimos años han demostrado que la aplicación de una deformación a los catalizadores metálicos, ya sea por compresión o por tensión, puede en algunos casos cambiar la forma en que funcionan.

"La tensión es un tema muy candente en la catálisis en este momento, "dijo Andrew Peterson, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y coautor de la investigación. "Estamos empezando a ver cosas que suceden bajo tensión que no se explican fácilmente con la teoría tradicional de cómo funcionan los catalizadores. Eso nos hizo pensar en un marco alternativo para esta pregunta".

Un catalizador metálico funciona haciendo que los reactivos se unan a su superficie, un proceso conocido como adsorción. La adsorción rompe los enlaces químicos de las moléculas reactivas, permitiendo que se produzcan varias etapas de una reacción química en la superficie del metal. Una vez completadas las etapas de reacción, el producto final se libera del catalizador mediante el proceso inverso, llamado desorción.

La propiedad clave de un catalizador es su reactividad, es decir, con qué fuerza une las moléculas químicas a su superficie. Los catalizadores deben ser algo reactivos para que se produzca la unión, pero no demasiado reactivo. Demasiada reactividad hace que el catalizador retenga moléculas con demasiada fuerza, lo que puede dificultar algunas etapas de la reacción o hacer que los productos finales no se puedan desorber.

En los últimos años se ha demostrado que aplicar una cepa a un catalizador puede ajustar su reactividad, y hay una teoría bien establecida de cómo funciona. Generalmente hablando, la teoría predice que la deformación por tracción debería aumentar la reactividad, mientras que la compresión debería reducirlo. Sin embargo, Peterson y su grupo siguieron encontrando sistemas que la teoría no explica fácilmente.

Eso hizo que los investigadores pensaran en una nueva forma de ver el problema. La teoría tradicional describe cosas a nivel de electrones y bandas de electrones. La nueva teoría se aleja un poco, centrándose en cambio en la mecánica de cómo las moléculas interactúan con la red atómica de un catalizador.

Peterson y su equipo demostraron que las moléculas unidas a la superficie de un catalizador tenderán a separar los átomos de la red o acercarlos. dependiendo de las características de las moléculas y los sitios de unión. Las diferentes fuerzas producidas por las moléculas tienen implicaciones interesantes sobre cómo la tensión externa debería afectar la reactividad de un catalizador. Sugiere que la tensión, que estira la red atómica de un catalizador, debería hacer que un catalizador sea más reactivo a las moléculas que naturalmente quieren separar la red. Al mismo tiempo, La tensión debería disminuir la reactividad de las moléculas que quieren unir la red. La compresión (apretar el enrejado) tiene un efecto inverso.

La nueva teoría no solo ayuda a explicar resultados previamente desconcertantes, hace importantes nuevas predicciones. Específicamente, predice una forma de romper las relaciones de escala tradicionales entre catalizadores y diferentes tipos de moléculas.

"Las relaciones de escala significan que, Bajo circunstancias normales, cuando aumenta la reactividad de un catalizador para una sustancia química, también aumenta la reactividad para otros productos químicos, Peterson dijo. De manera similar, si disminuye la reactividad de una sustancia química, lo disminuyes para los demás ".

Esas relaciones de escala provocan inconvenientes problemáticos cuando se trata de optimizar un catalizador. Obtener la reactividad perfecta para un químico podría hacer que otro químico se adhiera demasiado fuerte (o demasiado flojo), potencialmente inhibiendo algunas etapas de una reacción. Pero esta nueva teoría sugiere que la tensión puede romper esas relaciones de escala, lo que permite a un catalizador unir simultáneamente una sustancia química más estrechamente y otra más débilmente. dependiendo de la interacción natural de la sustancia química con la red atómica del catalizador y la forma en que se diseña el campo de deformación en la superficie del catalizador.

"Ahora puede empezar a pensar en la puesta a punto de los catalizadores para que funcionen mejor en los diferentes pasos de reacción, ", Dijo Peterson." Eso podría mejorar drásticamente el rendimiento de un catalizador, dependiendo de los productos químicos involucrados ".

El equipo de Peterson ha comenzado a armar una base de datos de químicos de reacción comunes y sus interacciones con diferentes superficies de catalizador. Esa base de datos podría servir como guía para encontrar reacciones que podrían beneficiarse de la tensión y la ruptura de las relaciones de escala.

Mientras tanto, Peterson espera que el trabajo que han realizado hasta ahora proporcione a la comunidad de catálisis una nueva forma de pensar sobre la tensión.

"Estamos tratando de ofrecer un marco que proporcione una comprensión más intuitiva de cómo funciona la tensión en la catálisis, ", Dijo Peterson." Así que a medida que las personas diseñan nuevos catalizadores, pueden pensar en formas de aprovechar mejor estos efectos de tensión ".