Un compuesto cristalino llamado dióxido de rutenio se usa ampliamente en procesos industriales, donde es particularmente importante para catalizar una reacción química que divide moléculas de agua y libera oxígeno. Pero el mecanismo exacto que tiene lugar en la superficie de este material, y cómo esa reacción se ve afectada por la orientación de las superficies de los cristales, nunca se había determinado en detalle. Ahora, un equipo de investigadores del MIT y varias otras instituciones ha podido por primera vez estudiar directamente el proceso a nivel atómico.

Los nuevos hallazgos se informan esta semana en la revista. Catálisis de la naturaleza , en un artículo del profesor del MIT Yang Shao-Horn, estudiantes recién graduados Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano y Jaclyn Lunger, y otras 10 personas en el MIT, Laboratorio Nacional Argonne, y otras instituciones.

El trabajo involucró años de colaboración y un proceso iterativo entre el modelado por computadora átomo por átomo del proceso catalítico, y experimentos de precisión, incluidos algunos que utilizan una instalación de rayos X de sincrotrón única en Argonne, que permite el sondeo a escala atómica de la superficie del material.

"Creo que el aspecto emocionante del trabajo es que empujamos un poco los límites de nuestra comprensión de la catálisis de la división del agua, ", Dice Shao-Horn." Tratamos de aprender qué sucede en los sitios de oxígeno en la superficie bajo condiciones de reacción, un paso crítico hacia la definición de los sitios activos para dividir el agua ".

El proceso catalítico, conocida como la reacción de desprendimiento de oxígeno, es crucial para producir hidrógeno y amoníaco para uso energético, fabricar combustibles sintéticos neutros en carbono, y fabricar metales a partir de óxidos metálicos. Y actualmente Las superficies de dióxido de rutenio son "el estándar de oro de los catalizadores para la división del agua, "según Shao-Horn.

Si bien el proceso de dividir el agua para separar los átomos de oxígeno de sus dos átomos de hidrógeno unidos en la superficie de un catalizador puede parecer sencillo, a nivel molecular, Rao dice, "Esta interfaz es bastante complicada. Tienes una gran cantidad de moléculas de agua y tu superficie puede estar completamente desordenada y tener múltiples procesos sucediendo al mismo tiempo". Para darle sentido a todo, "Lo primero que hacemos es reducir la complejidad al tener superficies monocristalinas realmente bien definidas" donde se ha determinado la ubicación exacta de cada átomo utilizando dispersión de rayos X de sincrotrón para sondear la superficie.

"Con esta técnica, básicamente podemos acercarnos a esa capa superior, " ella dice, y luego pueden variar el voltaje aplicado a la superficie para ver cómo se ve afectado el proceso de oxidación del agua. En el nuevo estudio, debido a que los investigadores habían determinado los sitios de actividad y reacción para diferentes orientaciones de la superficie del cristal, pudieron incorporar esa información en su modelado molecular en la computadora. Esto les permitió obtener más información sobre la energía de las reacciones que tienen lugar en configuraciones atómicas específicas en la superficie.

Lo que encontraron fue que "es mucho más intrigante, "porque no hay un solo sitio responsable de la reacción, Dice Rao. "No es que todos los sitios sean idénticos, pero tiene diferentes sitios que pueden desempeñar diferentes funciones "en el conjunto de pasos de la reacción. Pueden ser posibles diferentes pasos para determinar la velocidad, con las tasas relativas de división del agua influenciadas por la orientación de las caras de la red cristalina expuestas, y los nuevos conocimientos pueden ayudar a optimizar la forma en que se preparan los catalizadores para optimizar las velocidades de reacción.

Rao dice que comprender a nivel molecular la influencia de estas sutiles diferencias podría ayudar en el diseño de futuros catalizadores que podrían superar los niveles de actividad más altos que predecirían los métodos tradicionales de descripción de estructuras electrónicas.

Shao-Horn agrega que, si bien su estudio analizó específicamente el dióxido de rutenio, el trabajo de modelado que hicieron podría aplicarse a una variedad de procesos catalíticos, todo lo cual involucró reacciones similares de romper y rehacer enlaces químicos a través de interacciones con sitios activos en la superficie del material.

El modelado de la actividad superficial podría utilizarse para ayudar en la selección de nuevos materiales catalíticos potenciales para una variedad de reacciones. ella dice, por ejemplo, para encontrar materiales que utilicen menos o raros, elementos caros.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.