La "regla de los diez electrones" proporciona orientación para el diseño de catalizadores de aleaciones de un solo átomo para reacciones químicas específicas.
Un equipo colaborativo de cuatro universidades ha descubierto una regla muy sencilla para diseñar catalizadores de aleaciones de un solo átomo para reacciones químicas. La "regla de los diez electrones" ayuda a los científicos a identificar muy rápidamente catalizadores prometedores para sus experimentos. En lugar de extensos experimentos de prueba y error de simulaciones computacionalmente exigentes, la composición de los catalizadores se puede proponer simplemente mirando la tabla periódica.
Las aleaciones de un solo átomo son una clase de catalizadores hechos de dos metales:unos pocos átomos de metal reactivo, llamado dopante, se diluyen en un metal inerte (cobre, plata u oro). Esta tecnología reciente es extremadamente eficiente para acelerar las reacciones químicas, pero los modelos tradicionales no explican cómo funcionan.
El equipo, que trabajó en la Universidad de Cambridge, el University College London, la Universidad de Oxford y la Universidad Humboldt de Berlín, ha publicado su investigación en Nature Chemistry. . Los científicos realizaron simulaciones por computadora para desentrañar las leyes subyacentes que controlan cómo funcionan los catalizadores de aleaciones de un solo átomo.
La regla mostró una conexión simple:los químicos se unen más fuertemente a los catalizadores de aleaciones de un solo átomo cuando el dopante está rodeado por diez electrones. Esto significa que los científicos que diseñan experimentos ahora pueden simplemente usar las columnas de la tabla periódica para encontrar qué catalizadores tendrán las propiedades deseadas para sus reacciones.
El Dr. Romain Réocreux, investigador postdoctoral en el grupo del Prof. Angelos Michaelides, quien dirigió esta investigación, dice:"Cuando tienes una reacción química difícil, necesitas un catalizador con propiedades óptimas. Por un lado, un enlace fuerte El catalizador puede envenenar y dejar de acelerar la reacción, por otro lado, un catalizador de unión débil puede simplemente no hacer nada."
"Ahora podemos identificar el catalizador óptimo simplemente mirando una columna de la tabla periódica. Esto es muy poderoso ya que la regla es simple y puede acelerar el descubrimiento de nuevos catalizadores para reacciones químicas particularmente difíciles".
El Prof. Stamatakis, profesor de Química Inorgánica Computacional de la Universidad de Oxford, que contribuyó a la investigación, dice:"Después de una década de intensa investigación sobre aleaciones de un solo átomo, ahora tenemos un marco teórico elegante, simple pero poderoso que explica la unión tendencias energéticas y nos permite hacer predicciones sobre la actividad catalítica."
Utilizando esta regla, el equipo propuso un catalizador prometedor para una versión electroquímica del proceso Haber-Bosch, una reacción clave para la síntesis de fertilizantes que ha estado utilizando el mismo catalizador desde que se descubrió por primera vez en 1909.
La Dra. Julia Schumann, que inició el proyecto en la Universidad de Cambridge y ahora trabaja en la Universidad Humboldt de Berlín, explica:"Muchos de los catalizadores que se utilizan hoy en día en la industria química se descubrieron en el laboratorio mediante métodos de prueba y error. Con una mejor comprensión de las propiedades de los materiales, podemos proponer nuevos catalizadores con mayor eficiencia energética y reducción de CO2 emisiones para procesos industriales."
Más información: Regla del recuento de diez electrones para la unión de adsorbatos en catalizadores de aleaciones de un solo átomo, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01424-6
Proporcionado por la Universidad de Cambridge
