El grupo del profesor Polshettiwar en el Instituto Tata de Investigación Fundamental (TIFR), Mumbai, ha desarrollado un novedoso "catalizador de reducción plasmónico estable en el aire", que desafía la inestabilidad común de los catalizadores de reducción en presencia de aire. El catalizador fusiona racimos de rutenio dopados con platino con "oro negro plasmónico". Este oro negro capta eficientemente la luz visible y genera numerosos puntos calientes debido al acoplamiento plasmónico, lo que mejora su rendimiento catalítico.
El equipo describe su trabajo en un artículo publicado en la revista Nature Communications. .
Lo que distingue a este catalizador es su notable desempeño en la semihidrogenación de acetileno, un importante proceso industrial. En presencia de exceso de eteno, y utilizando únicamente iluminación con luz visible sin ningún calentamiento externo, el catalizador alcanzó una tasa de producción de eteno de 320 mmol g −1 h -1 con alrededor del 90% de selectividad. Esta eficiencia supera a todos los catalizadores térmicos tradicionales y plasmónicos conocidos.
Sorprendentemente, este catalizador sólo muestra su mejor rendimiento cuando se introduce aire junto a los reactivos. Este requisito único conduce a una estabilidad sin precedentes durante al menos 100 horas. Los investigadores atribuyen esto a procesos simultáneos de reducción y oxidación mediados por plasmones en los sitios activos durante la reacción.
Para mejorar aún más nuestra comprensión de este catalizador, las simulaciones en el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD) revelaron un aumento de cinco veces en el campo eléctrico en comparación con el prístino DPC. Esta mejora del campo, debido al acoplamiento de campo cercano entre las nanopartículas de RuPt y el DPC, desempeña un papel crucial en la activación de los enlaces químicos. La eficacia del catalizador también es evidente en su efecto isotópico cinético (KIE), que es mayor bajo la luz que en la oscuridad a todas las temperaturas.
Esto indica el papel importante de los efectos no térmicos junto con la activación fototérmica de los reactivos. Los estudios exhaustivos de DRIFTS y DFT in situ proporcionaron información sobre el mecanismo de reacción sobre la superficie del óxido, destacando particularmente el papel de los intermedios en la selectividad. La superficie del catalizador RuPt parcialmente oxidada genera acetileno con enlaces di-σ, que luego se transforma a través de varios pasos para producir eteno.
Esta investigación marca el primer informe sobre un catalizador altamente eficiente, estabilizado con aire y activado plasmónicamente para la semihidrogenación de acetileno, con aplicaciones potenciales en una variedad de otras reacciones de reducción. Los hallazgos ofrecen contribuciones significativas a la comprensión de la catálisis plasmónica y allanan el camino para el desarrollo de sistemas catalíticos sostenibles y energéticamente eficientes.
Más información: Gunjan Sharma et al, nanopartículas de Ru dopadas con Pt cargadas en nanorreactores plasmónicos de 'oro negro' como catalizadores de reducción estables en el aire, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44954-4
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto Tata de Investigación Fundamental
