La incorporación de átomos metálicos individuales en una superficie de la manera correcta permite adaptar su comportamiento químico. Esto hace nuevo mejores catalizadores posibles.

Hacen que nuestros coches sean más respetuosos con el medio ambiente y son indispensables para la industria química:los catalizadores posibilitan determinadas reacciones químicas, como la conversión de CO en CO ₂ en los gases de escape de los automóviles; de lo contrario, eso sucedería muy lentamente o no ocurriría en absoluto. Los físicos de superficie de la TU Wien han logrado un avance importante; Los átomos de metal se pueden colocar sobre una superficie de óxido de metal para que muestren exactamente el comportamiento químico deseado. Resultados prometedores con átomos de iridio se acaban de publicar en la reconocida revista Angewandte Chemie .

Cada vez más pequeño, hasta el átomo único

Para gases de escape de automóviles, Se utilizan catalizadores sólidos como el platino. El gas entra en contacto con la superficie metálica, donde reacciona con otros componentes del gas. "Solo la capa más externa de átomos de metal puede desempeñar un papel en este proceso. El gas nunca puede alcanzar los átomos dentro del metal, por lo que básicamente se desperdician, ", dice el profesor Gareth Parkinson del Instituto de Física Aplicada de TU Wien. Por lo tanto, tiene sentido construir el catalizador no como un gran bloque de metal, pero en forma de finos gránulos. Esto hace que el número de átomos activos sea lo más alto posible. Dado que muchos materiales catalizadores importantes (como el platino, oro o paladio) son muy caras, el costo es un problema importante.

Durante años, se han hecho esfuerzos para convertir los catalizadores en partículas cada vez más finas. En el mejor de los casos, el catalizador podría estar formado por átomos de catalizador individuales, y todos estarían activos de la manera correcta. Esto es más fácil dicho que hecho, sin embargo. "Cuando los átomos de metal se depositan sobre una superficie de óxido de metal, Suelen tener una tendencia muy fuerte a agruparse y formar nanopartículas. "explicó Gareth Parkinson.

En lugar de unir los átomos metálicos activos a una superficie, también es posible incorporarlos en una molécula con átomos vecinos inteligentemente seleccionados. Las moléculas y los reactivos luego se disuelven en un líquido, y las reacciones químicas ocurren allí.

Ambas variantes tienen ventajas y desventajas. Los catalizadores de metal sólido tienen un mayor rendimiento, y se puede ejecutar en funcionamiento continuo. Con catalizadores líquidos, por otra parte, es más fácil adaptar las moléculas según sea necesario, pero el producto y el catalizador deben separarse nuevamente después.

Lo mejor de ambos mundos

El equipo de Parkinson en TU Wien está trabajando para combinar las ventajas de ambas variantes:"Durante años hemos estado trabajando en el procesamiento de superficies de óxido metálico de manera controlada y en la obtención de imágenes bajo el microscopio, "dice Gareth Parkinson." Gracias a esta experiencia, ahora somos uno de los pocos laboratorios en el mundo que puede incorporar átomos de metal en una superficie sólida de una manera bien definida ".

De la misma manera que se diseñan las moléculas de catalizador líquido, es posible elegir los átomos vecinos en la superficie que serían los más favorables desde el punto de vista químico, y trucos especiales de física de superficies permiten incorporarlos en una matriz sólida sobre una superficie especial de óxido de hierro. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono.

Control optimo

"La catálisis de un solo átomo es una nueva, campo de investigación extremadamente prometedor, ", dice Gareth Parkinson." Ya se han realizado mediciones interesantes con tales catalizadores, pero hasta ahora no se sabía realmente por qué funcionaban tan bien. Ahora, por primera vez, tenemos un control total sobre las propiedades atómicas de la superficie y podemos demostrarlo claramente mediante imágenes del microscopio electrónico ".