Para comprender la estructura y función de los catalizadores en acción, investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), en cooperación con colegas del Swiss Light Source SLS del Paul Scherrer Institute (PSI) en Suiza y la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Francia, han desarrollado una nueva herramienta de diagnóstico. Operando espectroscopía de rayos X visualiza la estructura y gradientes de catalizadores técnicos complejos en tres dimensiones, lo que nos permite examinar los reactores químicos en funcionamiento. Los resultados se informan en Catálisis de la naturaleza .

La catálisis es indispensable para muchas ramas. El 95% de todos los productos químicos se producen mediante catalizadores. Los catalizadores también juegan un papel clave en las tecnologías energéticas y la protección del medio ambiente. Los catalizadores son materiales que se utilizan para acelerar reacciones químicas con el fin de reducir el consumo de energía y los subproductos no deseados. Este principio químico-físico es la base de sistemas completos, por ejemplo, los convertidores catalíticos en los automóviles o los catalizadores en las plantas de energía para eliminar los contaminantes de sus escapes. Los catalizadores técnicos e industriales también se aplican en la producción de fertilizantes y polímeros. A menudo, Deben exhibir alta resistencia a la presión y resistencia mecánica. mientras que además opera en condiciones ambientales dinámicas. Incluso los aumentos de eficiencia más pequeños en la eliminación de contaminantes, como el monóxido de carbono, oxido de nitrógeno, y polvo fino, de los gases de escape o en la producción de hidrógeno verde dará lugar a importantes ventajas para los seres humanos y el medio ambiente. Para mejorar los materiales y procesos catalíticos existentes, sin embargo, se requiere una comprensión exacta de su función. "Ya sea en un gran reactor químico, en una batería, o debajo de su automóvil:los catalizadores técnicos e industriales a menudo tienen una estructura muy compleja, "dice el Dr. Thomas Sheppard del Instituto de Tecnología Química y Química de Polímeros (ITCP) de KIT." Para comprender realmente cómo funcionan estos materiales, tenemos que echar un vistazo al interior del reactor cuando el catalizador está funcionando, idealmente con una herramienta analítica para detectar la compleja estructura tridimensional del catalizador activo ".

La espectroscopia de rayos X de Operando proporciona imágenes tridimensionales e información química importante

Thomas Sheppard dirigió un estudio sobre convertidores catalíticos automotrices, cuyos resultados ahora se informan en Catálisis de la naturaleza por los investigadores involucrados de KIT, PSI, y ESRF. Para sus estudios, el equipo utilizó una configuración recientemente desarrollada y llevó a cabo experimentos de tomografía en instalaciones de radiación de sincrotrón en Suiza y Francia. La tomografía computarizada produce imágenes tridimensionales de una muestra, incluyendo el exterior y el interior, sin necesidad de cortarlo. Usando un reactor especial, los investigadores realizaron tomografía y espectroscopia de rayos X para rastrear un proceso catalítico activo. De este modo, lograron observar la estructura tridimensional de un catalizador de control de emisiones en condiciones similares a las de un escape de automóvil real. Esta espectroscopia de rayos X denominada operando proporciona no solo la estructura tridimensional de la muestra, pero también información química importante.

Método adecuado para varios catalizadores

"Dado que los catalizadores a menudo tienen una estructura bastante compleja y no uniforme, Es importante saber si todo el volumen de catalizador o solo partes de él están realizando su función química según lo previsto, "explica Johannes Becher de ITCP, uno de los principales autores del estudio. "La espectroscopia de rayos X de Operando nos permite ver la estructura y función específicas de cada pieza. Esto nos dice si el catalizador está funcionando con la máxima eficiencia o no y, más importante, nos ayuda a comprender los procesos subyacentes ". Durante la reacción, el equipo observó un gradiente estructural de las especies de cobre activas dentro del catalizador, que no se podían detectar previamente con herramientas analíticas convencionales. Ésta es información de diagnóstico importante en el rendimiento de los catalizadores de control de emisiones. El método en sí se puede aplicar a muchos catalizadores y procesos químicos diferentes.

Nuevas oportunidades para el diagnóstico de materiales y reacciones

Los estudios del equipo muestran cómo la visualización del estado químico de un catalizador activo en 3-D puede brindar nuevas oportunidades para el diagnóstico de materiales y reacciones. "Hasta ahora, no era posible seleccionar libremente ninguna pieza de un catalizador de trabajo y comprender qué reacciones tienen lugar allí sin perturbarlo. Ahora, podemos seguir exactamente qué reacciones están ocurriendo, dónde, y por qué, ", dice el profesor Jan-Dierk Grunwaldt del ITCP." Esta es la clave para mejorar nuestra comprensión de los procesos químicos y diseñar catalizadores mejores y más eficientes en el futuro ". Los estudios que utilizan espectroscopía de rayos X operando se pueden llevar a cabo en diferentes fuentes de radiación de sincrotrón, siempre que exista un entorno de muestra adecuado. Los grupos de Jan-Dierk Grunwaldt y Thomas Sheppard continuarán sus investigaciones como parte del nuevo Centro Colaborativo de Investigación TrackAct en KIT. TrackAct tiene como objetivo comprender y mejorar el diseño y la eficiencia de los catalizadores de control de emisiones.