Los catalizadores son indispensables para muchas tecnologías. Para mejorar aún más los catalizadores heterogéneos, se requiere analizar los procesos complejos en sus superficies, donde se encuentran los sitios activos. Científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), junto a compañeros de España y Argentina, han alcanzado ahora un progreso decisivo:como se informó en Cartas de revisión física , utilizan métodos de cálculo con los denominados funcionales híbridos para la interpretación fiable de datos experimentales.

Muchas tecnologías importantes, como los procesos de conversión de energía, reduccion de emisiones, o la producción de productos químicos, trabajar solo con catalizadores adecuados. Por esta razón, Los materiales altamente eficientes para catálisis heterogénea están ganando importancia. En catálisis heterogénea, el material que actúa como catalizador y las sustancias que reaccionan existen en diferentes fases como sólido o gas, por ejemplo. Las composiciones de los materiales se pueden determinar de forma fiable mediante varios métodos. Procesos que tienen lugar en la superficie del catalizador. sin embargo, puede ser detectado por casi cualquier método de análisis. "Pero son estos procesos químicos altamente complejos en la superficie más externa del catalizador los que son de importancia decisiva, "dice el profesor Christof Wöll, Responsable del Instituto de Interfaces Funcionales (IFG) de KIT. "Allí, los sitios activos están ubicados, donde tiene lugar la reacción catalizada ".

Examen preciso de la superficie de los catalizadores en polvo

Entre los catalizadores heterogéneos más importantes se encuentran los óxidos de cerio, es decir, compuestos del cerio, un metal de tierras raras, con oxígeno. Existen en forma de polvo y consisten en nanopartículas de estructura controlada. La forma de las nanopartículas influye considerablemente en la reactividad del catalizador. Para estudiar los procesos en la superficie de tales catalizadores en polvo, Los investigadores comenzaron recientemente a utilizar moléculas de sonda, como moléculas de monóxido de carbono, que se unen a las nanopartículas. A continuación, estas sondas se miden mediante espectroscopia de absorción por reflexión de infrarrojos (IRRAS). La radiación infrarroja hace que las moléculas vibren. De las frecuencias de vibración de las moléculas de la sonda, se puede obtener información detallada sobre el tipo y la composición de los sitios catalíticos. Hasta aquí, sin embargo, La interpretación de los datos experimentales de IRRAS ha sido muy difícil, debido a que los catalizadores en polvo tecnológicamente relevantes tienen muchas bandas de vibración, cuya asignación exacta es un desafío. Los cálculos teóricos no ayudaron, porque la desviación del experimento, también en el caso de sistemas modelo, era tan grande que las bandas de vibración observadas experimentalmente no podían asignarse con precisión.

Tiempo de cálculo prolongado:alta precisión

Investigadores del Instituto de Interfaces Funcionales (IFG) y el Instituto de Investigación y Tecnología de Catálisis (IKFT) de KIT, en cooperación con colegas de España y Argentina coordinados por la Dra. M. Verónica Ganduglia-Pirovano del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en Madrid, Ahora he identificado y resuelto un problema importante de análisis teórico.

Como se informó en Cartas de revisión física , Los estudios teóricos sistemáticos y la validación de los resultados utilizando sistemas de modelos revelaron que los métodos teóricos utilizados hasta ahora tienen algunas debilidades fundamentales. En general, tales debilidades se pueden observar en los cálculos que utilizan la teoría funcional de la densidad (DFT), un método con el que se puede determinar el estado básico de la mecánica cuántica de un sistema de múltiples electrones en función de la densidad de los electrones. Los investigadores encontraron que las debilidades se pueden superar con los llamados funcionales híbridos que combinan DFT con el método Hartree-Fock. un método de aproximación en química cuántica.

Esto hace que los cálculos sean muy complejos, pero también muy preciso. "Los tiempos de cálculo requeridos por estos nuevos métodos son más largos en un factor de 100 que para los métodos convencionales, ", dice Christof Wöll." Pero este inconveniente está más que compensado por la excelente concordancia con los sistemas experimentales ". Utilizando catalizadores de óxido de cerio a nanoescala, los investigadores demostraron este progreso que puede contribuir a hacer que los catalizadores heterogéneos sean más efectivos y duraderos.