Los científicos están entusiasmados con la perspectiva de reducir los catalizadores a átomos individuales. Unido por millones a una superficie de apoyo, podrían ofrecer lo último en velocidad y especificidad.

Ahora, los investigadores han dado un paso importante hacia la comprensión de los catalizadores de un solo átomo al modificar deliberadamente cómo se adhieren a las superficies que los sostienen, en este caso las superficies de las nanopartículas. Unieron un átomo de platino a cada nanopartícula y observaron cómo el cambio de la química de la superficie de la partícula y la naturaleza de la unión afectaba el interés del átomo por catalizar reacciones.

Los experimentos clave para el estudio se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, y los resultados se informaron en Materiales de la naturaleza el dia de ayer.

"Creemos que esta es la primera vez que la reactividad de un catalizador metálico de un solo átomo se ha relacionado con una forma específica de unirlo a una estructura de soporte particular. Este estudio también es único en el control sistemático de esa unión, "dijo Simon R. Bare, un científico distinguido del personal de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) de SLAC y coautor del estudio.

"Este es un avance científico importante, y comprender en un nivel fundamental cómo la estructura se relaciona con la reactividad nos permitirá, en última instancia, diseñar catalizadores para que sean mucho más eficientes. Hay una gran cantidad de personas trabajando en este problema ".

Malos tratos, Buenos resultados

Bare y otros científicos de SLAC formaron parte de un estudio anterior en SSRL que descubrió que los átomos de iridio individuales podían catalizar una reacción particular hasta 25 veces más eficientemente que las nanopartículas de iridio que se usan en la actualidad. que contienen de 50 a 100 átomos.

Este último estudio fue dirigido por el profesor asociado Phillip Christopher de la Universidad de California, Santa Bárbara. Observó átomos individuales de platino que estaban unidos a nanopartículas separadas de dióxido de titanio en su laboratorio. Si bien este enfoque probablemente no sería práctico en una planta química o en el convertidor catalítico de su automóvil, le dio al equipo de investigación un control exquisitamente fino de dónde se colocaron los átomos y del entorno que los rodeaba, Dijo Bare.

Los investigadores aplicaron tratamientos químicos a las nanopartículas, ya sean duros o suaves, y utilizaron rayos X de SSRL para observar cómo esos tratamientos cambiaban dónde y cómo los átomos de platino se unían a la superficie.

Mientras tanto, científicos de la Universidad de California, Irvine observó directamente las uniones y posiciones de los átomos de platino con microscopios electrónicos, e investigadores de la UC-Santa Bárbara midieron qué tan activos eran los átomos de platino en las reacciones catalizadoras.

Rompiendo la superficie

Un átomo de platino tiene seis sitios de unión donde puede conectarse con otros átomos. En nanopartículas no tratadas, los átomos estaban enterrados en la superficie y unidos firmemente a seis átomos de oxígeno cada uno; no tenían sitios de unión libres que pudieran agarrar otros átomos y comenzar una reacción catalítica.

En partículas tratadas suavemente, los átomos de platino emergieron de la superficie y estaban unidos a solo cuatro átomos de oxígeno cada uno, dejándoles dos sitios de unión libres y la posibilidad de una mayor actividad catalítica.

Y en partículas tratadas con dureza, los átomos se adhieren a la superficie por solo dos enlaces, dejando libres cuatro sitios de unión. When the researchers tested the ability of the variously treated nanoparticles to catalyze a reaction where carbon monoxide combines with oxygen to form carbon dioxide – the same reaction that takes place in a car's catalytic converter – this one came out on top, Bare said, with five times greater activity than the others.

"While this study shows the importance of understanding the dynamic nature of catalysts, " Christopher said, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."