Los átomos individuales funcionan muy bien como catalizadores, pero por lo general no permanecen solteros por mucho tiempo. Los científicos de Argonne son parte de un equipo que usa ondas de choque de alta temperatura para mantenerlos en su lugar.

Un tema candente actual en la investigación de la catálisis es el desarrollo de catalizadores de un solo átomo, aquellos cuyos átomos no están unidos entre sí. El aumento en la exposición de los catalizadores de un solo átomo maximiza la eficiencia del uso del átomo para el rendimiento catalítico, ayudando a procesos cruciales como la fabricación de combustibles y productos farmacéuticos.

Sintetizar catalizadores de un solo átomo estables resulta un desafío porque muchas de las reacciones catalíticas más útiles, como la conversión de metano, solo puede ocurrir a altas temperaturas. Para permanecer en un estado estable, los átomos individuales a menudo se agrupan cuando las altas temperaturas introducen un aumento en la inestabilidad del sistema, provocando una disminución en su rendimiento catalítico.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), junto con socios de varias universidades, han demostrado que la exposición de un catalizador y un sustrato a ondas de choque repetidas de alta temperatura rompe el catalizador en átomos individuales y permite que el sistema permanezca estable durante períodos de tiempo sin precedentes.

En este descubrimiento fundamental, los científicos utilizaron platino como catalizador y carbono como sustrato. El platino sirve como catalizador para muchas reacciones importantes, como impulsar pilas de combustible y convertir el gas natural en formas más útiles.

El estudio, que apareció recientemente en Nanotecnología de la naturaleza , aprovechó la colaboración interdisciplinaria entre varios laboratorios y universidades nacionales. Los modelos informáticos del sistema durante el pulso de calor provienen de la Universidad de Maryland. Las predicciones sobre cómo se comportaría el sistema coincidieron estrechamente con los resultados reales obtenidos durante las pruebas de reacción en la Universidad Johns Hopkins y la espectroscopia de absorción de rayos X en la Fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Las pruebas de estabilidad in situ utilizando microscopía de resolución atómica se realizaron en la Universidad de Illinois en Chicago y en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales. otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

La línea de luz APS operada por el grupo de espectroscopía de la división de ciencia de rayos X se especializa en espectroscopía de absorción de rayos X, y alberga una amplia variedad de usuarios de campos como el almacenamiento de energía, catálisis y ciencias ambientales. La técnica que emplearon para el sistema en este estudio es capaz de caracterizar de manera única la catálisis de un solo átomo. Los científicos pudieron demostrar que después de 10 ondas de choque, prácticamente no había enlaces platino-platino, y que el platino se unía al sustrato de carbono, lo cual es importante para explicar el rendimiento mejorado del sistema.

Los científicos dispersaron átomos de platino sobre una superficie de carbono, y a bajas temperaturas, el platino se agrupaba en lugar de unirse como átomos individuales con el carbono. Después de una onda de choque de alta temperatura, o pulso de calor, las islas de platino comenzaron a romperse y, después de 10 pulsos, el platino se dispersó uniformemente y se plantó en el carbono.

Estos experimentos se realizaron utilizando ondas de choque a temperaturas récord de hasta 2000 K, una temperatura más alta que incluso el magma más caliente debajo de la superficie de la Tierra, el establecimiento de un entorno catalítico estable maduro con potencial de reacción. El sistema permaneció estable durante más de 50 horas después de la síntesis.

El método de ondas de choque evita el problema común de los átomos individuales que se unen a sí mismos porque cuando se calientan los átomos a altas temperaturas, el chorro de energía hace que se muevan y rompan sus vínculos preexistentes. Esta inestabilidad interrumpe los enlaces platino-platino y hace que el platino se extienda sobre el carbono, proporcionando oportunidades de energía estable para que se una a las moléculas de carbono. Con cada onda de choque adicional, los átomos de platino se dispersan cada vez más.

"Los vínculos entre el platino y el carbono son fuertes, así que si separas el platino de sí mismo y se une al carbono, se quedará ahí, "dijo Tianpin Wu del grupo de espectroscopia, un científico de Argonne en el estudio. "El carbono es como el suelo y el platino es como una flor con raíces fuertes; el sistema es muy estable".

El uso de ondas de choque térmico como método para sintetizar catalizadores de un solo átomo es una forma eficiente en el tiempo y ampliamente aplicable de lograr entornos catalíticos que son convencionalmente desafiantes. El equipo planea utilizar este método para sintetizar otros catalizadores importantes como el rutenio y el cobalto con sustratos de nitruro de carbono y dióxido de titanio para obtener una teoría más general de cómo funciona el método.

"No queremos detenernos aquí, ", dijo Wu." Queremos estudiar este método novedoso en reacciones comunes y luego generalizarlo a otros materiales ".

"Comparamos el rendimiento de nuestro catalizador de platino de un solo átomo de alta temperatura con nanopartículas de platino convencionales en la conversión de metano, y vimos una mejora significativa en la selectividad y la estabilidad térmica durante largos períodos de tiempo, "dijo Wu.

El equipo fue más allá para probar la estabilidad térmica del sistema al tratar los átomos individuales con ondas de choque de hasta 3000 K. El resultado seguía siendo un mar de átomos individuales, permitiendo maximizar la eficiencia en el uso de átomos.

"Este trabajo fue como un rompecabezas, y todas las contribuciones de los colaboradores fueron necesarias para obtener una imagen detallada del sistema, "dijo Wu." Ninguna de las técnicas podría haber contado la historia por sí sola, pero juntos demostramos que este método es tan exitoso como es ".