Durante años, las nanopartículas metálicas utilizadas en los catalizadores se han vuelto cada vez más pequeñas. Ahora, un equipo de investigación de TU Wien en Viena, Austria ha demostrado que todo es repentinamente diferente cuando se llega al tamaño más pequeño posible:un solo átomo.

Los metales como el oro o el platino se utilizan a menudo como catalizadores. En los convertidores catalíticos de vehículos, por ejemplo, Las nanopartículas de platino convierten el monóxido de carbono venenoso en CO no tóxico. ₂ . Debido a que el platino y otros metales catalíticamente activos son caros y raros, las nanopartículas involucradas se han hecho cada vez más pequeñas con el tiempo.

Los catalizadores de un solo átomo son el punto final lógico de esta reducción:el metal ya no está presente como partículas, sino como átomos individuales que están anclados en la superficie de un material de soporte más económico. Los átomos individuales ya no pueden describirse utilizando las reglas desarrolladas a partir de piezas de metal más grandes, por lo tanto, las reglas utilizadas para predecir qué metales serán buenos catalizadores deben renovarse; esto ya se logró en TU Wien. Como resulta, Los catalizadores de un solo átomo basados ​​en materiales mucho más baratos podrían ser incluso más efectivos. Estos resultados ya se han publicado en la revista Ciencias .

A veces, lo más pequeño es mejor

Solo los átomos externos de la pieza de metal pueden desempeñar un papel en los procesos químicos; después de todo, los átomos del interior nunca entran en contacto con el medio ambiente. Para ahorrar material, Por lo tanto, es mejor usar partículas metálicas diminutas en lugar de grumos grandes. de modo que una mayor proporción de átomos reside en la superficie. Si vamos al límite último y usamos átomos individuales, cada átomo es químicamente activo. Durante la última década, el campo de la catálisis de "átomo único" ha crecido drásticamente, logrando un gran éxito.

Modelo incorrecto solución correcta

"Las razones por las que algunos metales preciosos son buenos catalizadores ya se investigaron en la década de 1970, "dice el profesor Gareth Parkinson del Instituto de Física Aplicada de TU Wien". Por ejemplo, Gerhard Ertl fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 2007 por proporcionar conocimientos a escala atómica sobre la catálisis ".

En una pieza de metal ya no se puede asignar un electrón a un átomo específico; los estados electrónicos resultan de la interacción de muchos átomos. "Para átomos individuales, los modelos antiguos ya no son aplicables ", dice Gareth Parkinson." Los átomos individuales no comparten electrones como un metal, entonces las bandas de electrones, cuya energía fue clave para explicar la catálisis, simplemente no existen en este caso ".

Por lo tanto, Gareth Parkinson y su equipo han estado investigando intensamente los mecanismos atómicos detrás de esta catálisis de un solo átomo en los últimos años. "En muchos casos, los metales que consideramos buenos catalizadores siguen siendo buenos catalizadores en forma de átomos individuales", dice Gareth Parkinson. "En ambos casos son los mismos electrones, los llamados electrones d, que son responsables de esto ".

Propiedades personalizadas a través de superficies a medida

Surgen posibilidades completamente nuevas en la catálisis de un solo átomo que no están disponibles cuando se usan partículas metálicas ordinarias:"Dependiendo de la superficie en la que coloquemos los átomos de metal y qué enlaces atómicos forman, podemos cambiar la reactividad de los átomos, "explica Parkinson.

En algunos casos, Los metales particularmente caros como el platino ya no son necesariamente la mejor opción. "Los átomos de níquel individuales son muy prometedores para la oxidación del monóxido de carbono. Si entendemos los mecanismos atómicos de la catálisis de un solo átomo, tenemos mucho más margen para influir en los procesos químicos, "dice Parkinson.

Ocho metales diferentes se analizaron con precisión de esta manera en TU Wien; los resultados se ajustan perfectamente a los modelos teóricos que ahora se han desarrollado en colaboración con el profesor Cesare Franchini de la Universidad de Viena.

"Los catalizadores son muy importantes en muchas áreas, especialmente cuando se trata de reacciones químicas que juegan un papel importante en los intentos de desarrollar una economía de energía renovable, "enfatiza Gareth Parkinson." Nuestro nuevo enfoque muestra que no siempre tiene que ser platino. "El factor decisivo es el entorno local de los átomos, y si lo elige correctamente, puede desarrollar mejores catalizadores y al mismo tiempo ahorrar recursos y costos.