Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han resuelto el misterio de una reacción química esencial para la producción de combustible y fertilizantes. La llamada reacción de desplazamiento de agua-gas forma combustible de hidrógeno y dióxido de carbono a partir de monóxido de carbono y vapor. La investigación aborda una cuestión fundamental en las transformaciones químicas que se logran mediante catalizadores, productos químicos que ayudan a acelerar las reacciones y se utilizan para fabricar miles de productos industriales y de consumo.

El descubrimiento, publicado en el número de octubre de 2019 de Catálisis de la naturaleza , aborda una cuestión fundamental del huevo o la gallina en la catálisis:¿Las interacciones entre los reactivos químicos y el catalizador crean un "sitio activo" o ya existe un "sitio activo" dentro del catalizador?

Usando una combinación de técnicas sofisticadas que pueden rastrear la reacción en tiempo real, los investigadores, dirigido por Janos Szanyi y Vassiliki-Alexandra (Vanda) Glezakou, determinado experimentalmente que el sitio activo no es intrínseco al catalizador. En lugar de, se crea cuando el catalizador encuentra ese reactivo. El equipo de PNNL respondió a la pregunta observando distintos cambios en las propiedades del catalizador antes y después de encontrar ese reactivo.

"Nuestro nuevo conocimiento nos ha proporcionado una hoja de ruta para desarrollar catalizadores más eficientes, "dijo Nicholas Nelson, investigador postdoctoral asociado del PNNL y primer autor del artículo de investigación. "Una de esas vías es utilizar un átomo de un solo metal como sitio catalítico, a diferencia de varios cientos de átomos metálicos pegados entre sí. Esto maximizará la eficiencia del catalizador al garantizar que cada átomo de metal participe en la reacción ".

Si los investigadores pudieran desarrollarse más rápido, catalizadores más estables para impulsar la reacción de desplazamiento de agua-gas, aumentaría la eficiencia de fabricación de ingredientes fertilizantes, como el amoniaco, o combustibles como hidrocarburos, metanol, e hidrógeno.

"Este descubrimiento también podría llevar a que la tecnología de pilas de combustible se vuelva más omnipresente en el sector energético, lo que puede reducir las emisiones del transporte y diversificar nuestra cartera de energía, "Dijo Nelson.

El descubrimiento es la culminación de más de dos años de experimentos realizados dentro del Instituto de Catálisis Integrada de PNNL, que explora y desarrolla la química y la tecnología de los procesos catalizados que permiten un futuro neutro en carbono. Los investigadores utilizaron un equipo especializado que puede "ver" la reacción en tiempo real. Combinando dos formas de espectroscopia, los investigadores pudieron seguir el proceso de reacción con un detalle sin precedentes, clasificando con precisión cuándo y cómo se combinaron los productos químicos y cómo se generaron los productos. La combinación de la capacidad del instrumento y los experimentos que utilizan secuencias de gases no convencionales fueron fundamentales para identificar el intermedio clave durante la reacción de cambio de agua y gas.

El intermedio en esta reacción, llamado carboxilo, se propuso teóricamente hace más de 10 años, sin embargo, no se ha detectado experimentalmente hasta ahora. La evolución y detección de este intermedio es un hallazgo importante que cambia la forma en que los científicos piensan sobre la interacción entre el hidrógeno y los catalizadores de átomos de un solo metal. La nueva información no solo ayudará en el desarrollo de catalizadores para el desplazamiento de agua-gas, sino también en muchas otras reacciones que involucran al hidrógeno.