En los últimos 20 años, se han realizado esfuerzos para reducir el uso de combustibles fósiles en la fabricación de plásticos y, según investigadores de Penn State, reacciones catalíticas eficientes y personalizables, donde dos metales se combinan usando un catalizador o molécula que permanece sin cambios durante una reacción. —son una alternativa atractiva.

Los investigadores han encontrado una manera de hacer que las reacciones catalíticas sean menos derrochadoras y más rentables mediante el control de la ubicación de cada átomo en la superficie del catalizador. Controlar o personalizar los catalizadores reduce las reacciones competitivas innecesarias y aísla una reacción exitosa y predecible. Estos resultados fueron publicados en Nature Chemistry .

"Al aislar un metal activo en un huésped inerte y controlar con precisión la proporción exacta de los metales, podemos obtener un patrón objetivo de los dos átomos metálicos", dijo Michael Janik, profesor de ingeniería química de Penn State y co-investigador principal de el estudio.

Los investigadores utilizaron paladio, que sirvió como componente catalizador activo, y zinc, el huésped inerte, para formar un intermetálico, un compuesto con dos o más tipos de átomos metálicos dispuestos en un patrón repetitivo.

Los investigadores, dirigidos por Janik y el co-investigador principal Robert Rioux, profesor de ingeniería química Friedrich G. Helfferich de Penn State, probaron diferentes cantidades de zinc y paladio y encontraron que diferentes proporciones de zinc a paladio tenían una reactividad catalítica muy diferente.

Los investigadores ajustaron la proporción de paladio a zinc para formar superficies que contenían solo monómeros y trímeros de paladio aislados, o grupos de tres átomos adyacentes. Demostraron que tanto los monómeros como los trímeros de paladio podían hidrogenar, o agregar gas hidrógeno al acetileno, y así crear etileno, un gas necesario para procesar plásticos.

Pero en el proceso, los trímeros de paladio también catalizaron una reacción de hidrogenación de etileno, una consecuencia no deseada, que descartó el uso de trímeros. Sin embargo, los monómeros de paladio aislados rodeados por átomos de zinc fueron una configuración eficaz para la hidrogenación selectiva del acetileno.

Debido a su trabajo en este artículo, Janik, Rioux y sus colaboradores recibieron una subvención de 1,2 millones de dólares en 2019 del Departamento de Energía de EE. UU. con el objetivo de llevar la ciencia a nuevas aplicaciones.

"Utilizaremos el modelado computacional y el aprendizaje automático para predecir diseños de otros intermetálicos que organizarán ciertos números de átomos metálicos en configuraciones únicas", dijo Janik. "Ahora estamos tratando de encontrar otras combinaciones de dos metales que nos permitan controlar la disposición de los dos átomos de metal".

Janik, Rioux y sus colaboradores en Penn State y Carnegie Mellon University ahora están utilizando enfoques de ciencia de datos para descubrir otros catalizadores intermetálicos con sitios de reacción precisos y ajustables. Trabajando con Zachary Ulissi, profesor asociado de ingeniería química en CMU, codificaron una aplicación web disponible públicamente, conocida como Nuclearity Zoo, que calcula la disposición y la forma de cualquier combinación de metales activos e inactivos y enumera todas las posibles disposiciones atómicas de ellos. La aplicación utiliza enfoques de teoría de grafos para categorizar formas y tamaños de sitios activos.

"Por ejemplo, hay 237 formas en que se puede combinar el paladio con el zinc para obtener un par de átomos de paladio aislados", dijo Janik, refiriéndose a los resultados de la aplicación web al ingresar los dos metales. "Luego puedes descargar la estructura de los átomos para cada uno de los arreglos".

El grupo de investigación ahora está utilizando la aplicación y los enfoques de ciencia de datos para predecir computacionalmente catalizadores activos y selectivos para una serie de reacciones de importancia industrial. + Explora más

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