(PhysOrg.com) - Los químicos de la Universidad de Utah demostraron el primer vínculo concluyente entre el tamaño de las partículas de catalizador en una superficie sólida, sus propiedades electrónicas y su capacidad para acelerar reacciones químicas. El estudio es un paso hacia el objetivo de diseñar catalizadores más eficientes para aumentar la producción de energía, reducir los gases que calientan la Tierra y fabricar una amplia variedad de productos, desde medicinas hasta gasolina.

Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas sin ser consumidas por la reacción. Se utilizan para fabricar la mayoría de los productos químicos y muchos productos industriales. La economía mundial depende de ellos.

“Una de las grandes incertidumbres en la catálisis es que nadie entiende realmente qué tamaño de partículas del catalizador hacen que ocurra una reacción química, "Dice Scott Anderson, profesor de química de la Universidad de Utah y autor principal del estudio del viernes, Número del 6 de noviembre de la revista Ciencias . "Si pudiéramos entender qué factores controlan la actividad en los catalizadores, entonces podríamos fabricar catalizadores mejores y menos costosos ".

“La mayoría de los catalizadores son metales nobles caros como el oro, el paladio o el platino, " él añade. "Diga en un catalizador de oro, la mayor parte del metal está en forma de partículas grandes, pero esas partículas grandes están inactivas y solo las nanopartículas con aproximadamente 10 átomos están activas. Eso significa que más del 90 por ciento del oro en el catalizador no está haciendo nada. Si pudiera hacer un catalizador con solo partículas del tamaño correcto, podría ahorrar el 90 por ciento del costo o más ".

Además, “Existe un gran interés en aprender a fabricar catalizadores con metales base mucho menos costosos como el cobre, níquel y zinc, ”Dice Anderson. "Y la forma en que lo va a hacer es 'sintonizando' sus propiedades químicas, lo que significa ajustar las propiedades electrónicas porque los electrones controlan la química ".

La idea es "tomar un metal que no sea catalíticamente activo y, cuando lo reduce al tamaño apropiado [partículas], puede volverse catalítico, ”Dice Anderson. "Ese es el enfoque de nuestro trabajo:tratar de identificar y comprender qué tamaños de partículas metálicas están activas como catalizadores y por qué lo son como catalizadores".

En el nuevo estudio, Anderson y sus estudiantes dieron un paso hacia el "ajuste" de los catalizadores para que tuvieran las propiedades deseadas al demostrar, por primera vez, que el tamaño de las "nanopartículas" de catalizador metálico depositadas en una superficie afecta no solo el nivel de actividad del catalizador, sino las propiedades electrónicas de las partículas.

Anderson realizó el estudio con los estudiantes de doctorado en química Bill Kaden y William Kunkel, y con el ex estudiante de doctorado Tianpin Wu. Kaden fue el primer autor.

"Los catalizadores son una gran parte de la economía, ”Dice Anderson. “Los catalizadores se utilizan para prácticamente todos los procesos industriales, desde la fabricación de gasolina y polímeros hasta la remediación de la contaminación y los propulsores de cohetes ".

Los catalizadores se utilizan en el 90 por ciento de los procesos de fabricación de productos químicos en los EE. UU. Y para fabricar más del 20 por ciento de todos los productos industriales, y esos procesos consumen grandes cantidades de energía, según el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Además, la industria produce el 21 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono que calientan la Tierra en los EE. UU., incluido el 3 por ciento de la industria química, DOE dice.

Por lo tanto, mejorar la eficiencia de los catalizadores es “la clave tanto para el ahorro de energía como para la reducción de las emisiones de dióxido de carbono, ”Dice la agencia.

Los catalizadores también se utilizan en la fabricación de medicamentos; procesamiento de alimentos; celdas de combustible; producción de fertilizantes; conversión de gas natural, carbón o biomasa en combustibles líquidos; y sistemas para reducir contaminantes y mejorar la eficiencia de la combustión en la producción de energía.

La Sociedad de Catálisis de América del Norte dice que los catalizadores contribuyen con el 35 por ciento o más del Producto Interno Bruto global. “La mayor parte de esta contribución proviene de la generación de combustibles de alta energía (gasolina, diesel, hidrógeno), que dependen fundamentalmente del uso de pequeñas cantidades de catalizadores en ... refinerías de petróleo, ”Dice el grupo.

"El desarrollo de catalizadores económicos ... es fundamental para la captura de energía, conversión y almacenamiento, "Dice Henry White, profesor y catedrático de química en la Universidad de Utah. "Esta investigación es vital para la seguridad energética de la nación".

Investigación de catalizadores:lo que mostraron los estudios anteriores y el nuevo estudio

Muchos catalizadores importantes, como los de los convertidores catalíticos que reducen las emisiones de los vehículos de motor, están hechos de partículas metálicas que varían en tamaño desde micrones hasta nanómetros.

A medida que el tamaño de una partícula de metal catalizador se reduce a nanoescala, sus propiedades inicialmente siguen siendo las mismas que las de una partícula más grande, Anderson dice. Pero cuando el tamaño es menor de unos 10 nanómetros, que contiene unos 10, 000 átomos de catalizador:los movimientos de los electrones en el metal están confinados, por lo que se incrementan sus energías inherentes.

Cuando hay menos de aproximadamente 100 átomos en las partículas de catalizador, las variaciones de tamaño también dan como resultado fluctuaciones en la estructura electrónica de los átomos del catalizador. Esas fluctuaciones afectan fuertemente la capacidad de las partículas para actuar como catalizador, Anderson dice.

Experimentos anteriores documentaron que las propiedades electrónicas y químicas de un catalizador se ven afectadas por el tamaño de las partículas de catalizador que flotan en un gas. Pero esas partículas de catalizador aisladas son bastante diferentes a los catalizadores que están montados sobre una superficie de óxido metálico, la forma en que el metal del catalizador está soportado en los catalizadores industriales reales.

Los experimentos anteriores con catalizadores montados en una superficie a menudo incluían una amplia variedad de tamaños de partículas. Entonces, esos experimentos no pudieron detectar cómo la actividad química y las propiedades electrónicas del catalizador varían según el tamaño de las partículas individuales.

Anderson fue el primer químico estadounidense en clasificar partículas de catalizador metálico por tamaño y demostrar cómo cambia su reactividad con el tamaño. En trabajos anteriores, estudió partículas de catalizador de oro depositadas sobre dióxido de titanio.

El nuevo estudio utilizó partículas de paladio de tamaños específicos que se depositaron sobre dióxido de titanio y se utilizaron para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono.

El estudio no solo mostró cómo la actividad catalítica varía con el tamaño de partícula del catalizador, “Pero hemos podido correlacionar esa dependencia del tamaño con las diferencias electrónicas observadas en las partículas de catalizador, ”Dice Kaden. "La gente había especulado que esto debería estar sucediendo, pero nadie lo ha visto nunca ".

Anderson dice que es la primera demostración de una fuerte correlación entre el tamaño y la actividad de un catalizador en una superficie metálica y las propiedades electrónicas del catalizador.

Cómo se realizó el estudio

Usando un elaborado aparato en el laboratorio de Anderson, los químicos apuntaron un rayo láser para vaporizar el paladio, creando carga eléctrica, nanopartículas de paladio en un vapor transportado por una corriente de gas helio.

Los campos electromagnéticos se utilizan para capturar las partículas y enviarlas a través de un espectrómetro de masas, que selecciona solo los tamaños de partículas de paladio que Anderson y sus colegas quieren estudiar. Las partículas deseadas luego se depositan en un monocristal de óxido de titanio que mide menos de media pulgada de lado.

Próximo, los químicos utilizan varios métodos para caracterizar la muestra de partículas de catalizador de paladio:específicamente las propiedades electrónicas del catalizador de paladio, forma física y actividad química.

Proporcionado por la Universidad de Utah (noticias:web)