Se utilizan miles de millones de catalizadores de metales nobles en todo el mundo para la producción de productos químicos, generacion de energia, o limpiando el aire. Sin embargo, los recursos necesarios para este fin son costosos y su disponibilidad es limitada. Para optimizar el uso de recursos, Se han desarrollado catalizadores basados ​​en átomos de un solo metal. Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) demostró que los átomos de metales nobles pueden ensamblarse para formar grupos bajo ciertas condiciones. Estos grupos son más reactivos que los átomos individuales y, por eso, los gases de escape pueden eliminarse mucho mejor. Los resultados se informan en Catálisis de la naturaleza .

Los catalizadores de metales nobles se utilizan para una amplia gama de reacciones. Entre otros, se aplican en casi todos los procesos de combustión para reducir las emisiones contaminantes. A menudo, están formados por partículas muy pequeñas del componente activo, como un metal noble, que se aplican a un material de soporte. Estas denominadas nanopartículas están compuestas por varios miles de átomos metálicos. "Pero solo los átomos del exterior están activos en la reacción, mientras que la mayoría de los átomos permanecen sin usar, "explica el profesor Jan-Dierk Grunwaldt del Instituto de Tecnología Química y Química de Polímeros (ITCP) de KIT. Al cambiar las condiciones de operación, la estructura de dicho catalizador y, por eso, su actividad puede cambiar.

"A altas temperaturas en el sistema de gases de escape de un automóvil, a los que se llega durante un viaje más largo por autopista, por ejemplo, la interacción entre el metal noble y el portador puede conducir a la formación de átomos individuales, es decir, aislado, átomos de metal separados en el portador, "Dice Grunwaldt." Se podría esperar que tales catalizadores de un solo átomo alcancen una tasa de utilización muy alta de los componentes de metales nobles, porque todos los átomos pueden participar teóricamente en la reacción ". Contrariamente a esta expectativa, sin embargo, el equipo de Grunwaldt, en cooperación con los profesores Christof Wöll del Instituto de Interfaces Funcionales de KIT y Felix Studt del Instituto de Investigación y Tecnología de Catálisis de KIT, ha descubierto que estos átomos primero tienen que formar grupos de metales nobles en las condiciones de reacción para volverse activos.

Los investigadores indujeron específicamente la formación de átomos individuales y examinaron su estructura a fondo durante la reacción. Con la ayuda de espectroscopia y cálculos teóricos altamente especializados, que se utilizaron por primera vez para esta clase de catalizadores, el equipo logró explicar por qué los átomos de platino con frecuencia tienen una actividad baja. "Para convertir contaminantes, normalmente tienen que reaccionar con el oxígeno del catalizador. Para esto, Ambos componentes deben estar disponibles al mismo tiempo y en el mismo lugar, que no se puede lograr para átomos de platino aislados, ya que el oxígeno para la reacción requerida está demasiado fuertemente unido al componente portador, en nuestro caso, óxido de cerio, "dice Florian Maurer de ITCP, uno de los principales autores del estudio. "Después de romper los enlaces platino-óxido de cerio, Los átomos de platino pueden moverse a través de la superficie del portador. En un próximo paso, estos átomos de platino forman pequeños grupos de platino, en el que la reacción tiene lugar mucho más rápido que en átomos individuales ".

Los clústeres tienen una estructura óptima para una alta actividad

Los estudios del equipo demuestran que ni las nanopartículas ni los átomos aislados alcanzan la máxima actividad. "El óptimo se encuentra en el medio. Se alcanza mediante pequeños grupos de metales nobles, "Dice Grunwaldt." La estabilización de estos grupos de metales nobles podría ser la clave para reducir sustancialmente el consumo de metales nobles al producir catalizadores. Durante años, La distribución cada vez más fina del componente de metal noble ha sido una de las principales estrategias en el diseño de nuevos catalizadores. Nuestros experimentos han revelado ahora los límites en el rango atómico ". Los resultados del estudio se utilizarán ahora para el diseño basado en el conocimiento y el desarrollo de catalizadores de estabilidad mejorada y actividad a largo plazo. Este será un enfoque principal del trabajo de el Centro de gases de escape de Karlsruhe de KIT, cuyo director científico, Dra. María Casapu, es coautor del estudio.