Los investigadores de PSI han desarrollado un nuevo método de tomografía con el que pueden medir las propiedades químicas dentro de los materiales catalizadores en 3D de forma extremadamente precisa y rápida que antes. El método tiene aplicaciones para la ciencia y la industria. Los investigadores publicaron hoy sus resultados en la revista Avances de la ciencia .

El grupo de materiales de los óxidos de vanadio y fósforo (VPO) se utiliza ampliamente como catalizador en la industria química. Los VPO se han utilizado en la producción de anhídrido maleico desde la década de 1970. El anhídrido maleico a su vez es el material de partida para la producción de diversos plásticos, incluyendo cada vez más los biodegradables. En la industria, los materiales catalíticos se utilizan normalmente durante varios años, porque juegan un papel importante en las reacciones químicas pero no se consumen en el proceso. Sin embargo, un catalizador de VPO cambia con el tiempo como resultado de este uso.

En un esfuerzo colaborativo, científicos de dos divisiones de investigación en el Instituto Paul Scherrer PSI, la División de Ciencia de Fotones y la División de Energía y Medio Ambiente, junto con investigadores de ETH Zurich y la empresa suiza Clariant AG, Ahora han investigado en detalle el proceso de envejecimiento de los catalizadores de VPO. En el curso de su investigación, también desarrollaron un nuevo método experimental.

Clariant AG es una de las empresas líderes mundiales en productos químicos especiales. Clariant proporcionó a PSI dos muestras:primero, una muestra de catalizador VPO no utilizado previamente; y segundo, una muestra de catalizador VPO que se había utilizado en operaciones industriales durante cuatro años. Desde hace mucho tiempo se sabe que los VPO cambian con los años de uso y presentan una ligera pérdida de las propiedades deseadas. Hasta ahora, sin embargo, No estaba completamente claro qué procesos en la nanoestructura y en la escala atómica eran responsables de la disminución observada en el rendimiento.

Los investigadores de PSI investigaron esta cuestión con técnicas de caracterización de materiales de última generación. Para hacer visible la estructura química de las muestras a nanoescala, combinaron dos métodos:el primero fue un método de tomografía específico desarrollado previamente en PSI llamado tomografía computarizada de rayos X ptychographic, que utiliza rayos X de Swiss Light Source SLS y puede obtener imágenes no destructivas del interior de la muestra en 3D y con una resolución nanométrica. A esto, en segundo lugar, los investigadores agregaron un método de espectroscopía de transmisión local que además reveló las propiedades químicas del material en cada elemento de volumen de los tomogramas.

"Básicamente, recopilamos datos de cuatro dimensiones, "explica Johannes Ihli, investigador de PSI y uno de los autores del estudio. "Reconstruimos una representación 3D de alta resolución de nuestra muestra en la que los elementos de volumen individuales, llamados vóxeles, tienen una longitud de borde de solo 26 nanómetros. Además, tenemos un espectro de transmisión de rayos X cuantitativo para cada uno de estos vóxeles, cuyo análisis nos dice la química local ".

Estos espectros permitieron a los científicos determinar para cada vóxel algunas de las cantidades químicas más fundamentales. Estos incluían la densidad de electrones, la concentración de vanadio, y el grado de oxidación del vanadio. Dado que los catalizadores de VPO examinados son un material llamado heterogéneo, estas cantidades cambian en varias escalas a lo largo de su volumen. Esto, a su vez, define o limita el rendimiento funcional del material.

El procedimiento paso a paso para obtener estos datos fue medir la muestra para una imagen de proyección 2D, luego gíralo un poquito, medir de nuevo, etcétera. Este proceso se repitió luego en varias otras energías. Con el método anterior, unas cincuenta mil imágenes 2D individuales habrían sido necesarias, y estos se habrían combinado en unos cien tomogramas. Para cada una de las dos muestras, esto habría significado aproximadamente una semana de tiempo de medición puro.

"Las estaciones experimentales de SLS tienen una gran demanda y están ocupadas durante todo el año, "explica Manuel Guizar-Sicairos, asimismo, investigador de la ISP y principal investigador de este estudio. "Por tanto, no podemos permitirnos realizar mediciones que tarden tanto". La recopilación de datos tenía que ser más eficiente.

Zirui Gao, autor principal del estudio, logró esto en forma de un nuevo principio de adquisición de datos y un algoritmo de reconstrucción asociado. "Para la reconstrucción 3D de tomografías, necesitas imágenes desde muchos ángulos, "Gao explica." Pero nuestro nuevo algoritmo logra extraer la cantidad requerida de información incluso si aumenta la distancia entre los ángulos alrededor de diez veces, es decir, si solo toma aproximadamente una décima parte de las imágenes 2D ". De esta manera, los investigadores lograron obtener los datos requeridos en solo dos días de medición, en consecuencia, se ahorra mucho tiempo y, por tanto, también costes.

Poros más grandes y átomos faltantes

Como se esperaba, el VPO fresco tenía muchos poros pequeños que estaban distribuidos uniformemente en el material. Estos poros son importantes porque proporcionan la superficie sobre la que puede tener lugar la catálisis. A diferencia de, la estructura de la muestra de VPO que había estado en uso durante cuatro años había cambiado en la nanoescala. Había cavidades más grandes y menos. El material entre ellos se mostró más grande, formas cristalinas alargadas.

También se encontraron cambios a nivel molecular:con el tiempo, vacíos también llamados agujeros, había aparecido en la red atómica. Anteriormente solo se había sospechado de su existencia. Con la información química adquirida a nanoescala, los investigadores ahora pudieron confirmar esta hipótesis y también mostrar exactamente dónde se ubicaban los vacíos:en el sitio de átomos de vanadio específicos que ahora faltaban. "Ya se conocía el hecho de que el contenido relativo de vanadio disminuye con el tiempo, "dice Gao." Pero ahora pudimos mostrar por primera vez en qué punto de la red cristalina faltan estos átomos. Junto con nuestros otros hallazgos, esto confirma la suposición anterior de que estos agujeros en la red atómica pueden servir como sitios activos adicionales para el proceso de catálisis ".

Esto también implica que el aumento de estas imperfecciones es un efecto bienvenido:mejoran la actividad catalítica y, por lo tanto, contrarrestan al menos parcialmente la pérdida de actividad causada por la disminución del número de poros. "Nuestro nuevo, Los resultados detallados podrían ayudar a las empresas industriales a optimizar sus catalizadores y hacerlos más duraderos. "Dice Gao.