Muchas reacciones que utilizamos para producir compuestos químicos en los alimentos, médico, y los campos industriales no serían viables sin el uso de catalizadores. Un catalizador es una sustancia que, incluso en pequeñas cantidades, acelera la velocidad de una reacción química y, a veces, permite que ocurra en condiciones más suaves (temperatura y presión más bajas). Un buen catalizador a veces puede multiplicar el rendimiento de un reactor a escala industrial o reducir más de 100 ° C su temperatura de funcionamiento.

No es ninguna sorpresa luego, que la investigación de catalizadores es crucial para hacer que las reacciones químicas sean más eficientes. Un enfoque emergente que se ha observado que proporciona estos beneficios es calentar las nanopartículas metálicas en algunos catalizadores directamente usando microondas en lugar de las técnicas convencionales de calentamiento uniforme. Las nanopartículas metálicas en los catalizadores interactúan fuertemente con las microondas y se cree que se calientan de forma selectiva. Sin embargo, Los científicos han informado resultados contradictorios al utilizar este enfoque, y comprender el efecto que tiene el calentamiento selectivo de las nanopartículas en las reacciones químicas es difícil porque aún no se han encontrado métodos para medir su temperatura local.

Ahora, Los científicos de Tokyo Tech, dirigidos por el profesor Yuji Wada, abordan este problema y demuestran un enfoque novedoso para medir la temperatura local de nanopartículas de platino en un catalizador sólido. Su método, como se detalla en su estudio publicado en Química de las comunicaciones , se basa en la espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X (XAFS), cuales, como su nombre indica, proporciona información sobre las pequeñas estructuras locales de un material mediante rayos X.

En oscilaciones XAFS extendidas, se puede derivar un valor llamado factor Debye-Waller. Este factor se compone de dos términos; uno relacionado con el desorden estructural, y uno relacionado con el desorden térmico. Si la estructura del catalizador no cambia con el calentamiento por microondas, cualquier variación en el factor Debye-Waller debe deberse a variaciones térmicas. Por lo tanto, XAFS se puede utilizar para medir indirectamente la temperatura de nanopartículas metálicas.

El equipo de científicos probó este enfoque en platino sobre alúmina y platino sobre catalizadores de sílice para averiguar hasta qué punto las microondas pueden calentar selectivamente las nanopartículas de platino en lugar de su material de soporte. Se encontró que el calentamiento por microondas produce una marcada diferencia de temperatura entre el NP y el soporte. Una serie de experimentos comparativos demostró que una temperatura local más alta de las nanopartículas metálicas en los catalizadores es crucial para obtener velocidades de reacción más altas a la misma temperatura.

Emocionado por los resultados, El profesor Wada comenta:"Este trabajo es el primero en presentar un método para la evaluación de las temperaturas locales de las nanopartículas y su efecto en las reacciones catalíticas. Concluimos que el calentamiento local de las nanopartículas de platino es eficiente para acelerar las reacciones químicas que involucran al propio platino, presentando un enfoque práctico para obtener una mejora espectacular en las reacciones catalíticas utilizando calentamiento por microondas ".

Estos hallazgos representan un gran avance para mejorar nuestra comprensión del papel del calentamiento por microondas en la mejora del rendimiento catalítico. El Dr. Tsubaki agrega:"La concentración de energía eficiente en los sitios activos de los catalizadores, las nanopartículas metálicas en este caso, debería convertirse en una estrategia crítica para explorar la química de microondas a fin de lograr un uso eficiente de la energía para las reacciones y permitir condiciones más suaves para la aceleración de la reacción". Se espera que esta nueva visión de los procesos catalíticos ahorre toneladas de energía a largo plazo al hacer que los reactores funcionen de manera más inteligente. no más difícil.