Existe un alto nivel de interés, incluso entusiasmo, entre los químicos y científicos de materiales sobre el potencial de los catalizadores de un solo átomo (SAC), pero su desarrollo depende de herramientas muy especializadas disponibles sólo en sincrotrones como la Fuente de Luz Canadiense (CLS) en el Universidad de Saskatchewan (USask).
"Ésta es un área de investigación realmente apasionante", afirmó el Dr. Peng Zhang, profesor de química e ingeniería biomédica en la Universidad de Dalhousie y usuario de CLS desde hace mucho tiempo.
Los catalizadores son nanopartículas recubiertas con materiales (a menudo metales caros como el platino, el paladio y el oro) que aceleran las reacciones químicas. Un inconveniente importante de los catalizadores convencionales es que sólo se utiliza un pequeño porcentaje del material catalítico en la reacción química, lo que los hace ineficientes y derrochadores, explicó Zhang.
Con la creciente demanda de energía limpia y sostenible, el uso de SAC en sistemas energéticos puede ayudar al medio ambiente y ahorrar dinero. Los SAC tienen beneficios como hacer que las reacciones sean más eficientes, utilizar metales menos raros y mejorar el rendimiento de dispositivos como pilas de combustible y baterías. También pueden ayudar a almacenar energía renovable de fuentes como el sol y el viento, haciéndola más confiable.
En el caso de los convertidores catalíticos de automóviles, que están diseñados para convertir las emisiones de escape en contaminantes menos tóxicos, Zhang dijo que menos de la mitad de los átomos de platino en el catalizador están disponibles para la reacción química necesaria.
El objetivo de la investigación de SAC es controlar la estructura atómica de la superficie de los catalizadores con átomos individuales del material catalítico en una matriz de material menos costoso, asegurando que todo el material esté disponible para la reacción. "Cuando se diseña el catalizador para que tenga una estructura de un solo átomo, se puede mejorar significativamente su actividad y rendimiento en la aplicación catalítica", afirmó Zhang.
Los desafíos que supone trabajar a nivel de un solo átomo son importantes, admitió, pero ahí es donde entra en juego el CLS.
"Si piensas en los catalizadores de un solo átomo, son tan pequeños que se necesita una herramienta de investigación especial para descubrir su estructura" y comprender cómo están dispuestos los átomos y qué átomos están presentes. "Incluso con el microscopio electrónico más potente, probablemente puedas ver un átomo individual, pero si utilizas tecnología de sincrotrón, puedes obtener una resolución 100 veces menor".
Zhang comenzó a utilizar instalaciones y técnicas de sincrotrón hace más de 20 años en su investigación de materiales como Ph.D. estudiante de la Universidad de Western Ontario. Cuando se inauguró el CLS en 2004, "me emocionó mucho saber que teníamos nuestro primer sincrotrón canadiense", dijo. Desde entonces, y al igual que su propio Ph.D. supervisor, envió a sus estudiantes al CLS y su sincrotrón asociado:la Fuente Avanzada de Fotones (Laboratorio Nacional Argonne, cerca de Chicago) para realizar experimentos SAC en el sitio.
Desde una perspectiva de investigación básica, Zhang dijo que aún quedan dos grandes obstáculos en el desarrollo de catalizadores de un solo átomo.
"En primer lugar, realmente queremos entender mejor por qué algunos catalizadores de un solo átomo son tan buenos, tan activos, pero a veces pueden no ser estables después de unas pocas horas, por lo que tenemos que diseñar catalizadores de un solo átomo para que estén activos durante un largo período". (de tiempo). Hay mucho trabajo por hacer con estos catalizadores para hacerlos más potentes y más utilizables."
El otro desafío es aumentar el uso de SAC a escala comercial.
"Queremos colaborar con gente de la industria química para encontrar aplicaciones en el mundo real", dijo Zhang. "En el laboratorio, la catálisis se realiza a muy pequeña escala, pero en la industria química es mil veces mayor". La capacidad de ampliar una reacción catalítica de un solo átomo abre la puerta a "todo tipo de aplicaciones de la industria química".
Si bien el potencial futuro es emocionante, Zhang dijo que la investigación fundamental del SAC sería imposible sin "acceso a instalaciones de clase mundial como CLS y APS".
La investigación se publica en la revista Accounts of Chemical Research. .
Más información: Ziyi Chen et al, Análisis estructural de catalizadores de un solo átomo mediante espectroscopia de absorción de rayos X, Relatos de investigación química (2024). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00693
Información de la revista: Relatos de investigaciones químicas
Proporcionado por Canadian Light Source
