Aguanta ahí grafeno. Seriamente, su agarre podría ayudar a hacer mejores catalizadores.

Los ingenieros de la Universidad de Rice han reunido lo que dicen que puede transformar la catálisis química al aumentar en gran medida la cantidad de átomos individuales de metales de transición que se pueden colocar en un portador de carbono.

La técnica utiliza puntos cuánticos de grafeno (GQD), Partículas de 3-5 nanómetros del material de carbono 2D superresistente, como soportes de anclaje. Estos facilitan átomos individuales de metales de transición de alta densidad con suficiente espacio entre los átomos para evitar aglomeraciones.

Un equipo internacional dirigido por el ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y Yongfeng Hu de Canadian Light Source en la Universidad de Saskatchewan, Canadá, detalló el trabajo en Química de la naturaleza.

Demostraron el valor de su síntesis general de alta carga de metales, catalizadores de un solo átomo mediante la fabricación de un catalizador de níquel mejorado con GQD que, en una prueba de reacción, mostró una mejora significativa en la reducción electroquímica de dióxido de carbono en comparación con un catalizador de menor carga de níquel.

Wang dijo que los metales nobles costosos como el platino y el iridio son ampliamente estudiados por la comunidad de catalizadores de un solo átomo con el objetivo de reducir la masa necesaria para las reacciones catalíticas. Pero los metales son difíciles de manipular y normalmente constituyen una pequeña porción, 5 a 10% en peso o menos, del catalizador global, incluidos los materiales de apoyo.

Por el contrario, el laboratorio de Wang logró cargas de metales de transición en un catalizador de un solo átomo de iridio de hasta un 40% en peso, o de 3 a 4 átomos metálicos individuales espaciados por cada cien átomos de sustrato de carbono. (Eso es porque el iridio es mucho más pesado que el carbono).

"Este trabajo se centra en una pregunta fundamental pero muy interesante que siempre nos hacemos:¿cuántos átomos individuales más podemos cargar en un soporte de carbono y no terminar con agregación?" dijo Wang, cuyo laboratorio se centra en la catálisis energéticamente eficiente de sustancias químicas valiosas.

"Cuando se reduce el tamaño de los materiales a granel a nanomateriales, la superficie aumenta y la actividad catalítica mejora, ", dijo." En los últimos años, la gente ha comenzado a trabajar en la reducción de catalizadores a átomos individuales para presentar una mejor actividad y una mejor selectividad. Cuanto mayor sea la carga que alcance, el mejor rendimiento que podría lograr ".

"Los átomos individuales presentan el área de superficie máxima para la catálisis, y sus propiedades físicas y electrónicas son muy diferentes en comparación con los sistemas a granel o nanoescala, ", dijo." En este estudio, queríamos llevar el límite de cuántos átomos podemos cargar en un sustrato de carbono ".

Señaló que la síntesis de catalizadores de un solo átomo tiene que ser ahora un proceso "de arriba hacia abajo" o "de abajo hacia arriba". El primero requiere hacer vacantes en láminas de carbono o nanotubos para átomos metálicos, pero debido a que las vacantes son a menudo demasiado grandes o no uniformes, los metales aún pueden agregarse. El segundo implica el recocido de metales y otros precursores orgánicos para "carbonizarlos", pero los metales todavía tienden a agruparse.

El nuevo proceso adopta un enfoque intermedio al sintetizar GQD funcionalizados con enlazadores de amina y luego pirolizarlos con los átomos de metal. Las aminas se entrecruzan con los iones metálicos y los mantienen esparcidos, maximizando su disponibilidad para catalizar reacciones.

"El máximo parece ser alrededor del 3-4 por ciento atómico usando este enfoque, Wang dijo. Los desafíos futuros incluyen cómo aumentar aún más la densidad de átomos individuales, garantizar una alta estabilidad para aplicaciones reales y ampliar sus procesos de síntesis ".