La catálisis es una de las tecnologías clave en la industria química y tiene un impacto de gran alcance en varios aspectos de nuestra vida diaria, incluida la fabricación de plásticos, la síntesis de fármacos y la producción de fertilizantes y combustibles. Se estima que hoy en día más del 90% de los productos químicos se fabrican con la participación de catálisis en al menos una etapa. La catálisis es un proceso complejo que se basa en el control estructural preciso de varios elementos en el cruce de (in)estabilidades de fase.
Si bien los catalizadores estables a largo plazo son indispensables para promover reacciones eficientes y de alto rendimiento, los reactivos sufren cambios químicos importantes que conducen a la formación de productos finales y deseados. En la catálisis heterogénea, el catalizador y los reactivos existen en diferentes fases.
Entre los diversos procesos catalíticos heterogéneos, el reformado seco de metano (DRM) se ha convertido recientemente en objeto de atención académica, ya que convierte dos gases de efecto invernadero, el metano (CH4 ) y dióxido de carbono (CO2 ), en hidrógeno (H2 ) y monóxido de carbono (CO). Esta mezcla también se conoce como gas de síntesis y puede usarse para reducir la dependencia de combustibles fósiles mediante la acumulación consecutiva de hidrocarburos más grandes mediante la química de Fischer-Tropsch.
Aunque los catalizadores a base de níquel y cobalto, al ser de bajo costo y altamente disponibles en la Tierra, han mostrado una actividad prometedora para la DRM, el diseño de catalizadores de alto rendimiento suele ser un desafío, ya que la conexión entre la dinámica química, la formación de las especies superficiales activas y su Generalmente faltan vías de reacción. Este conocimiento sólo puede obtenerse mediante los llamados experimentos operando, en los que se prueban simultáneamente estructura y función.
Un esfuerzo colaborativo de científicos de los Departamentos de Teoría y Química Inorgánica del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck de Berlín ha proporcionado conocimientos fundamentales sobre los procesos que ocurren en la superficie del catalizador y cómo esto modula el rendimiento catalítico durante el DRM.
El estudio se publica en la revista Nature Catalysis. .
En particular, el equipo estudió el papel de diferentes especies de oxígeno en un catalizador de níquel durante DRM mediante el uso de una combinación de técnicas científicas experimentales y computacionales, incluida la microscopía electrónica de barrido operando, la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X a presión ambiental cercana y la visión por computadora. P>
Destacaron el papel fundamental del CO2 disociativo. adsorción en la regulación del contenido de oxígeno del catalizador y CH4 activación. Además, descubrieron la presencia de tres especies de oxígeno metaestable en el catalizador:oxígeno atómico de la superficie, oxígeno del subsuelo y NiOx a granel. . Curiosamente, estos exhibieron diferentes propiedades catalíticas, y su interacción y transformación dieron lugar a oscilaciones en los estados superficiales y en la función catalítica.
Observaron que parte del oxígeno de la superficie se filtraba hacia la masa del catalizador, lo que reducía la disponibilidad del catalizador para CH4. activación y favorecimiento del CO2 y O difusión en su lugar.
El alcance de la fuga se demostró mediante espectroscopia de rayos X y microscopía electrónica de transmisión, revelando la presencia de oxígeno a varios nanómetros por debajo de la superficie de los catalizadores. En consecuencia, quedaron expuestos nuevos sitios metálicos, lo que provocó un aumento de la tasa de absorción de oxígeno y una disminución de la concentración de H2. Relación producto /CO.
Por último, entendieron que la co-alimentación de CO2 es esencial para el CH4 conversión, probablemente ayudando a su activación junto con la presencia de especies oxigenadas.
"Fue impresionante ver cómo la metaestabilidad del sistema Ni-O autoajusta el rendimiento catalítico y cómo un elemento de los reactivos puede dirigir todo el proceso, lo que depende de su ubicación y su química. Esperamos que nuestros hallazgos puedan dar "Hay un nuevo impulso en el ajuste de la longevidad y la selectividad en la catálisis", afirma el Dr. Thomas Lunkenbein, líder del proyecto y coautor del estudio.
Comprender la metaestabilidad de las superficies de los catalizadores, junto con cómo controlarlas para estabilizar el estado activo dinámico, tiene implicaciones importantes para el futuro de la catálisis. En particular, proporciona conocimientos que pueden transferirse al nivel industrial y al diseño de reactores donde se favorece un estado activo con compromisos energéticos mínimos.
Esto podría lograrse mediante el uso de oxidantes más potentes, como el agua (H2 O) y óxido nitroso (N2 O), o trabajando en la reducción de la fuga de oxígeno hacia la masa mediante nanopartículas o tecnología de película fina. El desarrollo de catalizadores basados en películas delgadas hechas a medida es el objetivo de CatLab, una plataforma de investigación conjunta entre FHI y el Centro Helmholtz de Berlín (HZB).
Más información: Luis Sandoval-Diaz et al, Las especies metaestables de níquel y oxígeno modulan las oscilaciones de velocidad durante el reformado en seco del metano, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01090-4
Información de la revista: Catálisis de la naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
