Perlas de galio líquido y platino en primer plano. Crédito:Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
Investigadores en Australia han podido usar trazas de platino líquido para crear reacciones químicas baratas y altamente eficientes a bajas temperaturas, abriendo un camino hacia reducciones dramáticas de emisiones en industrias cruciales.
Cuando se combina con galio líquido, las cantidades de platino requeridas son lo suficientemente pequeñas como para ampliar significativamente las reservas terrestres de este valioso metal, al tiempo que ofrecen soluciones potencialmente más sostenibles para el CO2. reducción, síntesis de amoníaco en la producción de fertilizantes y creación de celdas de combustible verde, junto con muchas otras posibles aplicaciones en las industrias químicas.
Estos hallazgos, que se centran en el platino, son solo una gota en el océano de metales líquidos en lo que respecta al potencial de estos sistemas de catálisis. Al ampliar este método, podría haber más de 1000 combinaciones posibles de elementos para más de 1000 reacciones diferentes.
Los resultados se publicarán en la revista Nature Chemistry el lunes 6 de junio.
El platino es muy eficaz como catalizador (el desencadenante de las reacciones químicas), pero no se usa mucho a escala industrial porque es caro. La mayoría de los sistemas de catálisis que involucran platino también tienen altos costos continuos de energía para operar.
Normalmente, el punto de fusión del platino es de 1.700°C. Y cuando se usa en estado sólido para fines industriales, debe haber alrededor de un 10 % de platino en un sistema catalítico a base de carbono.
No es una relación asequible cuando se trata de fabricar componentes y productos para la venta comercial.
Sin embargo, eso podría cambiar en el futuro, después de que los científicos de la UNSW Sydney y la Universidad RMIT encontraran una manera de usar pequeñas cantidades de platino para crear reacciones poderosas y sin altos costos de energía.
Una vista atómica del sistema catalítico en el que las esferas plateadas representan átomos de galio y las esferas rojas representan átomos de platino. Las pequeñas esferas verdes son reactivos y las azules son productos, destacando las reacciones catalíticas. Crédito:Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
El equipo, que incluye a miembros del Centro de Excelencia en Ciencias de Exciton ARC y del Centro de Excelencia ARC en Tecnologías Futuras de Baja Energía, combinó el platino con galio líquido, que tiene un punto de fusión de solo 29,8 °C, que es la temperatura ambiente en un recipiente caliente. día. Cuando se combina con galio, el platino se vuelve soluble. En otras palabras, se derrite, y sin encender un horno industrial de gran potencia.
Para este mecanismo, el procesamiento a temperatura elevada solo se requiere en la etapa inicial, cuando el platino se disuelve en galio para crear el sistema de catálisis. E incluso entonces, son solo alrededor de 300 °C durante una hora o dos, ni mucho menos las altas temperaturas continuas que a menudo se requieren en la ingeniería química a escala industrial.
El autor colaborador, el Dr. Jianbo Tang de la UNSW, lo comparó con un herrero que utiliza una forja en caliente para fabricar equipos que durarán años.
"Si estás trabajando con hierro y acero, tienes que calentarlo para hacer una herramienta, pero tienes la herramienta y nunca más tendrás que calentarla", dijo.
"Otras personas han probado este enfoque, pero tienen que hacer funcionar sus sistemas de catálisis a temperaturas muy altas todo el tiempo".
Para crear un catalizador efectivo, los investigadores necesitaban usar una proporción de menos de 0,0001 de platino a galio. Y lo más notable de todo, el sistema resultante demostró ser más de 1000 veces más eficiente que su rival de estado sólido (el que necesitaba tener un 10 % de platino costoso para funcionar)
Las ventajas no terminan ahí:como es un sistema basado en líquido, también es más confiable. Los sistemas catalíticos de estado sólido eventualmente se obstruyen y dejan de funcionar. Eso no es un problema aquí. Al igual que una fuente de agua con una fuente incorporada, el mecanismo líquido se refresca constantemente, autorregulando su eficacia durante un largo período de tiempo y evitando que se acumule en la superficie el equivalente catalítico de la escoria del estanque.
Dr. Md. Arifur Rahim, el autor principal de UNSW Sydney, dijo:"A partir de 2011, los científicos pudieron miniaturizar los sistemas de catalizador hasta el nivel atómico de los metales activos. Para mantener los átomos individuales separados entre sí, los sistemas convencionales requieren matrices sólidas (como grafeno u óxido de metal) para estabilizarlas. Pensé, ¿por qué no usar una matriz líquida en su lugar y ver qué sucede?
Galio líquido y tres perlas sólidas de platino, que demuestran el proceso de disolución del platino en galio descrito en el trabajo de investigación. Crédito:Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
"Los átomos catalíticos anclados en una matriz sólida están inmóviles. Hemos agregado movilidad a los átomos catalíticos a baja temperatura mediante el uso de una matriz de galio líquido".
El mecanismo también es lo suficientemente versátil como para realizar reacciones de oxidación y reducción, en las que se proporciona o se quita oxígeno a una sustancia, respectivamente.
Los experimentadores de la UNSW tuvieron que resolver algunos misterios para comprender estos impresionantes resultados. Usando química computacional avanzada y modelado, sus colegas en RMIT, dirigidos por el profesor Salvy Russo, pudieron identificar que el platino nunca se vuelve sólido, hasta el nivel de los átomos individuales.
La Dra. Nastaran Meftahi, becaria de investigación científica de Exciton, reveló la importancia del trabajo de modelado de su equipo RMIT.
"Lo que encontramos es que los dos átomos de platino nunca entraron en contacto entre sí", dijo.
"Siempre estuvieron separados por átomos de galio. No se forma platino sólido en este sistema. Siempre está disperso atómicamente dentro del galio. Eso es realmente genial y es lo que encontramos con el modelo, que es muy difícil de observar directamente a través de experimentos".
Sorprendentemente, en realidad es el galio el que hace el trabajo de impulsar la reacción química deseada, actuando bajo la influencia de los átomos de platino en las proximidades.
El investigador asociado de Exciton Science, el Dr. Andrew Christofferson, de RMIT, explicó cuán novedosos son estos resultados:"El platino en realidad está un poco debajo de la superficie y está activando los átomos de galio a su alrededor. Entonces, la magia está ocurriendo en el galio bajo la influencia del platino". .
"Pero sin el platino allí, no sucede. Esto es completamente diferente de cualquier otra catálisis que alguien haya mostrado, que yo sepa. Y esto es algo que solo se puede haber demostrado a través del modelado". La 'doble decoración' mejora el catalizador industrial
