Los catalizadores son el resultado de los químicos que buscan desentrañar la belleza de las moléculas y el misterio de las reacciones químicas. Profesor Jeong Young Park, cuya investigación se centra en reacciones químicas catalíticas, no es una excepción. Su equipo de investigación logró recientemente avances al abordar preguntas de larga data para comprender los mecanismos de reacción en los catalizadores bimetálicos.

Durante los estudios informados en Avances de la ciencia , siguiente publicación en Comunicaciones de la naturaleza este mes, El equipo de investigación del profesor Park identificó que la formación de interfaces de óxido de metal es el factor clave responsable del efecto catalítico sinérgico en los catalizadores bimetálicos. El equipo confirmó este mecanismo de reacción fundamental a través de imágenes in situ de las condiciones de reacción. Esta es la primera visualización de superficies bimetálicas en condiciones de reacción, que significa el papel de las interfaces de óxido de metal en la catálisis heterogénea.

Los materiales bimetálicos tienen un rendimiento catalítico sobresaliente, que abre una nueva vía para controlar las estructuras electrónicas y la energía de enlace en los catalizadores. A pesar de la considerable investigación sobre diversas eficiencias de reacción catalítica, Todavía hay preguntas sin respuesta sobre los principios subyacentes detrás de la mejora del desempeño. Aún más, Fue muy difícil averiguar qué condujo a la eficiencia porque la estructura, composición química, y el estado de oxidación de los materiales bimetálicos cambia según las condiciones de reacción.

Recientemente, Los grupos de investigación han sugerido que los sitios interfaciales de óxido-metal formados por la segregación superficial de nanopartículas bimetálicas podrían ser responsables del aumento del rendimiento catalítico. Sin embargo, no presentaron ninguna evidencia definitiva que ilustre la naturaleza física o el papel fundamental de las interfaces óxido-metal que conducen a la mejora del rendimiento.

Para abordar específicamente este desafío, El equipo de investigación llevó a cabo observaciones in situ de modulación estructural en catalizadores bimetálicos de platino-níquel en condiciones de oxidación de monóxido de carbono con microscopía de túnel de barrido a presión ambiental y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental.

El equipo observó que los catalizadores bimetálicos de platino-níquel exhibían una variedad de estructuras diferentes dependiendo de las condiciones del gas. En condiciones de vacío ultra alto, la superficie exhibía una capa de piel de platino en la superficie de aleación de platino-níquel, segregación selectiva de níquel seguida de la formación de grupos de óxido de níquel utilizando gas oxígeno, y finalmente la coexistencia de racimos de óxido de níquel en la piel de platino durante la oxidación del monóxido de carbono. El equipo de investigación descubrió que la formación de nanoestructuras interfaciales de óxido de platino y níquel es responsable de un paso altamente eficiente en la reacción de oxidación del monóxido de carbono.

Estos hallazgos ilustran que la mejora de la actividad catalítica en la superficie del catalizador bimetálico se origina en las vías de reacción termodinámicamente eficientes en la interfaz metal-óxido metálico. lo que demuestra un proceso sencillo para el fuerte efecto de interacción metal-soporte. La formación de estas nanoestructuras interfaciales de óxido de metal y metal aumenta la actividad catalítica al tiempo que proporciona una vía de reacción termodinámicamente eficiente al reducir el calor de las reacciones en la superficie.

El profesor Park dijo que una forma de monitorear los catalizadores es detectar electrones calientes asociados con los procesos de disipación y conversión de energía durante las reacciones de superficie. Su equipo dirigió la detección en tiempo real de electrones calientes generados en nanopartículas bimetálicas de PtCo durante la oxidación exotérmica del hidrógeno. El equipo aclaró con éxito el origen de la actividad catalítica sinérgica de las nanopartículas de PtCo con los correspondientes valores de corriente química.

Al estimar el rendimiento químico actual, el equipo de investigación concluye que las propiedades catalíticas de las nanopartículas bimetálicas están fuertemente gobernadas por la interfaz óxido-metal, lo que facilita la transferencia de electrones calientes.

El profesor Park explicó:"Creemos que la medición precisa de electrones calientes en catalizadores da una idea del mecanismo de catálisis heterogénea, que puede ayudar con el diseño inteligente de materiales altamente reactivos. El control de la actividad catalítica a través de la ingeniería electrónica de catalizadores es una perspectiva prometedora que puede abrir la puerta al nuevo campo de combinar la catálisis con la electrónica. llamada 'cataltrónica' ". Agregó que el estudio también establece una estrategia para mejorar la actividad catalítica para reacciones catalíticas en reactores químicos industriales.