Determinar las energías de unión óptimas para reacciones químicas heterogéneas, lo que generalmente significa que el reactivo está en la fase gaseosa o líquida mientras que el catalizador es sólido, es fundamental para muchos aspectos de la sociedad moderna. ya que confiamos en tales reacciones para procesos tan diversos como la producción de fertilizantes y plásticos. Existe una energía de enlace óptima, es decir, el grado de interacción entre los reactivos y el catalizador, donde el proceso es más eficiente (si es demasiado bajo, los reactivos no reaccionarán con el catalizador, y si es demasiado alto quedarán atados a él), y los catalizadores se diseñan en base a esto.
Ahora, en un descubrimiento que podría conducir al desarrollo de nuevos catalizadores que no dependan de costosos metales raros, Los científicos del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles han demostrado que la energía de enlace óptima puede desviarse de los cálculos tradicionales, que se basan en la termodinámica del equilibrio, a altas velocidades de reacción. Esto significa que puede ser necesario reconsiderar el diseño de catalizadores utilizando los nuevos cálculos para lograr las mejores tasas.
Las reacciones químicas heterogéneas se utilizan en muchos procesos industriales. Algunas de las más conocidas son la producción de amoniaco mediante el proceso Haber-Bosch, la producción de plásticos mediante la reacción de Ziegler-Natta, y la desulfuración del petróleo. En 1911, propuso el químico francés Paul Sabatier, basado en experimentos, que existe una energía de unión óptima que permite maximizar la actividad catalítica. Recientemente, Los avances en química computacional han proporcionado un marco con el que calcular la energía de enlace óptima, basado en la termodinámica de equilibrio y asumiendo que el proceso se desarrollará sin problemas si todos los pasos del proceso son termodinámicamente favorables. Aquí, el papel del catalizador es mejorar la termodinámica del paso más desfavorable. El problema es que, por lo general, se entiende que "óptimo" significa que la reacción requiere la menor fuerza motriz posible, para que sea termodinámicamente eficiente, pero en el mundo real a menudo es más práctico tener una mayor tasa de catálisis, incluso si es necesaria una fuerza motriz mayor.
El equipo realizó un nuevo conjunto de cálculos, basado en el modelado cinético de reacción, que tengan en cuenta esta discrepancia, y calcularon nuevas energías óptimas de enlace para la oxidación del hidrógeno, que utiliza catálisis heterogénea, encontrando que los cálculos dieron valores diferentes a altas velocidades de reacción. "Estábamos felices de ver, "dice Hideshi Ooka, el primer autor del estudio, "que nuestros cálculos predicen nuevas estrategias de diseño de catalizadores que no se podrían haber obtenido utilizando el tradicional, enfoque termodinámico ".
Según Ryuhei Nakamura, jefe del equipo de investigación de catalizadores biofuncionales del Centro de Recursos Sostenibles, "Según este hallazgo, planeamos buscar nuevos catalizadores, utilizando elementos como el cobre o el níquel, que pueden impulsar reacciones catalíticas heterogéneas pero son menos costosas y más respetuosas con el medio ambiente que las actuales, que a menudo requieren metales preciosos como platino y paladio ".
Él continúa, "Como consecuencia, La investigación para encontrar nuevos catalizadores utilizando nuestro método podría contribuir a alcanzar tres de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas:Objetivo 7 (energía limpia y asequible), Objetivo 12 (producción y consumo responsables), y el Objetivo 13 (acción climática) ".
El estudio se publica en The Revista de letras de química física .
