Un equipo de químicos y físicos de la Universidad de Utrecht ha logrado diseñar un nuevo tipo de catalizador. Al combinar dos metales con precisión atómica, crearon un material catalítico muy eficaz. El equipo, dirigido por la Prof. Petra de Jongh (Química) y el Prof. Alfons van Blaaderen (Física), están publicando sus hallazgos en Materiales de la naturaleza hoy dia.

Nanopartículas

Los catalizadores impactan fuertemente en nuestra sociedad. Aproximadamente el 90% de todos los procesos químicos industriales utilizan un catalizador para acelerar las conversiones químicas. Estos catalizadores suelen contener diminutas partículas metálicas, llamadas nanopartículas, que son alrededor de 10, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. La estructura y composición de estas nanopartículas determinan qué tan bueno es el catalizador. Incluso pequeños cambios en estas nanopartículas pueden dar lugar a grandes diferencias en el rendimiento, por tanto, presenta importantes implicaciones económicas y medioambientales para nuestra sociedad.

Catalizadores bimetálicos:cuando dos es mejor que uno

"Un avance importante para mejorar el rendimiento de los materiales catalíticos es pasar de los catalizadores convencionales hechos de un solo metal a los catalizadores bimetálicos en los que se combinan dos metales diferentes, "explica Petra de Jongh. Estos catalizadores bimetálicos funcionan mejor, pero también dan lugar a nuevos retos. "El desafío es que con las técnicas convencionales se tiene poco control sobre la estructura de las nanopartículas, dando como resultado partículas con cantidades variables de ambos metales, y diferentes formas y tamaños, obstaculizando gravemente la eficiencia de estos catalizadores bimetálicos ". El diseño de catalizadores bimetálicos con precisión atómica era un objetivo clave para Jessi van der Hoeven, un doctorado candidata que realizó su investigación en dos grupos en el Instituto Debye de Nanomateriales, supervisado conjuntamente por De Jongh (Química) y Van Blaaderen (Física).

Organizar los átomos en un diseño de núcleo-capa

Van der Hoeven encontró una forma de combinar dos metales, oro y paladio, en una nanopartícula estructurada núcleo-capa mientras se controla el número de capas de átomos de paladio. Estos nuevos catalizadores se probaron en la hidrogenación selectiva de butadieno, un proceso crucial en la purificación de materias primas para la fabricación de plásticos. De Jongh señala, "Estábamos muy emocionados de ver que con este diseño de núcleo-carcasa hicimos catalizadores que funcionan hasta 50 veces mejor que los que consisten solo en oro o solo paladio, o una mezcla aleatoria de los dos ".

Van der Hoeven agrega:"Para nuestra sorpresa, también observamos que no solo el tipo de átomos en la superficie de la nanopartícula afecta el rendimiento, pero que la naturaleza de los átomos en las capas debajo de la superficie también importa ". Con la ayuda del teórico del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania) y espectroscopistas de la Universidad de la Sorbona en París (Francia), coautores de la publicación, investigaron este efecto en detalle.

Mucho espacio en la parte inferior

Aunque los catalizadores de núcleo-capa de oro-paladio actuales superaron sus expectativas, los autores están convencidos de que todavía hay muchas oportunidades de mejora. "Estamos al principio, "comenta van Blaaderen." Ahora que sabemos cómo organizar los átomos en las nanopartículas, la variedad de estructuras y combinaciones de metales que podemos explorar es enorme ". Su sueño para el futuro es seguir construyendo materiales catalizadores de abajo hacia arriba, inspirado por el físico Richard Feynman, quien ya predijo que "hay mucho espacio en el fondo" para que la humanidad construya materiales átomo por átomo. O en este caso, capa por capa.