En estas imágenes STM de un catalizador de platino, (A) muestra la superficie en terrazas bajo vacío ultra alto, (B) a medida que la superficie se cubre con monóxido de carbono y aumenta la presión, las terrazas se ensanchan (C) cuando la cobertura está completa y la prensa alcanza un torr, las terrazas se fracturan en nanoclusters (D) la vista ampliada muestra la forma triangular de los nanoclusters, dos de los cuales están marcados con líneas rojas. Crédito:(Imagen cortesía de Berkeley Lab Somorjai y Salmeron, et. Alabama)
Cuando se trata de catalizadores metálicos, el estándar de platino es, bien, ¡platino! Sin embargo, alrededor de $ 2, 000 una onza, el platino es más caro que el oro. El alto costo de la materia prima presenta importantes desafíos para el futuro uso a gran escala del platino en las celdas de combustible. La investigación en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) sugiere que una forma posible de enfrentar estos desafíos es pensar en pequeño, realmente en pequeño.
Un estudio dirigido por Gabor Somorjai y Miquel Salmeron de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab mostró que bajo alta presión, comparables a las presiones a las que operan muchas tecnologías industriales, Los grupos de nanopartículas de platino potencialmente pueden superar a los monocristales de platino que se utilizan ahora en las pilas de combustible y los convertidores catalíticos.
"Hemos descubierto que la presencia de moléculas de monóxido de carbono puede alterar de forma reversible las superficies catalíticas de los monocristales de platino, supuestamente la configuración más estable termodinámicamente para un catalizador de platino, "dijo Somorjai, uno de los principales expertos del mundo en química de superficies y catálisis. "Esto indica que en condiciones de alta presión, los monocristales de platino no son tan estables como los nanoclusters, que en realidad se estabilizan más a medida que las moléculas de monóxido de carbono se adsorben junto con los átomos de platino ".
"Nuestros resultados también demuestran que las limitaciones de las técnicas tradicionales de ciencia de superficies pueden superarse con el uso de técnicas que operan en condiciones realistas, dice Salmeron, una autoridad líder en imágenes de superficie y desarrollador de imágenes in situ y técnicas espectroscópicas utilizadas en este estudio. También es director de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab.
En este estudio, Se examinaron superficies monocristalinas de platino a alta presión. Las superficies estaban estructuradas como una serie de terrazas planas de unos seis átomos de ancho separadas por pasos atómicos. Dicha característica estructural es común en los catalizadores metálicos y se considera que son los sitios activos donde ocurren las reacciones catalíticas. Los monocristales se utilizan como modelos para estas características.
Somorjai y Salmeron recubrieron las superficies de platino en este estudio con gas monóxido de carbono, un reactivo involucrado en muchos procesos catalíticos industriales importantes, incluido el proceso Fischer-Tropsch para la fabricación de hidrocarburos líquidos, el proceso de oxidación en los convertidores catalíticos de automóviles, y la degradación de electrodos de platino en pilas de combustible de hidrógeno. A medida que la cobertura de monóxido de carbono de las superficies de cristal de platino se acercaba al 100 por ciento, las terrazas comenzaron a ensancharse, como resultado de la creciente repulsión lateral entre las moléculas. Cuando la presión superficial alcanzó un torr, las terrazas se fracturaron en grupos de tamaño nanométrico. Las terrazas se volvieron a formar tras la eliminación del gas de monóxido de carbono.
"Nuestras observaciones de la reestructuración de la superficie a gran escala del platino escalonado destacan la fuerte conexión entre la cobertura de moléculas reactivas y la estructura atómica de la superficie del catalizador, ", dice Somorjai." La capacidad de observar superficies catalíticas a niveles atómicos y moleculares en condiciones de reacción reales es la única forma en que se podría detectar tal fenómeno ".
Los catalizadores, sustancias que aceleran la velocidad de las reacciones químicas sin que se modifiquen químicamente, se utilizan para iniciar prácticamente todos los procesos de fabricación industrial que involucran química. Los catalizadores metálicos son los caballos de batalla, siendo el platino uno de los mejores. Los catalizadores industriales normalmente operan bajo presiones que van desde militorr hasta atmósferas, ya temperaturas que van desde la habitación hasta cientos de grados Celsius. Sin embargo, Los experimentos de ciencia de superficie se han realizado tradicionalmente en condiciones de alto vacío y bajas temperaturas.
"Tales condiciones probablemente inhibirán cualquier proceso de reestructuración de la superficie que requiera la superación de barreras de activación incluso moderadas". "Dice Somorjai.
Dice Salmeron, "La pregunta sin respuesta hoy es cuál es la geometría y la ubicación de los átomos del catalizador cuando las superficies están cubiertas con densas capas de moléculas, como ocurre durante una reacción química ".
Somorjai y Salmeron llevan muchos años colaborando en el desarrollo de instrumentación y técnicas que les permitan realizar estudios de catálisis en condiciones realistas. Ahora tienen a su disposición microscopios de túnel de barrido de alta presión (STM) únicos y una línea de luz de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental (AP-XPS) que opera en la fuente de luz avanzada del laboratorio de Berkeley. una fuente principal de radiación de sincrotrón para la investigación científica.
"Con estos dos recursos, Podemos obtener imágenes de la estructura atómica e identificar el estado químico de los átomos del catalizador y las moléculas reactantes adsorbidas bajo presiones y temperaturas de tipo industrial. "Dice Salmeron.
Las imágenes STM revelaron la formación de nanoclusters en las superficies de los cristales de platino, y los espectros AP-XPS revelaron un cambio en las energías de unión de electrones del monóxido de carbono. Una colaboración posterior con Lin-Wang Wang, teórico de la División de Ciencias Computacionales de Berkeley Lab, Explicó el cambio de estructura como resultado de la relajación de la fuerte repulsión entre las moléculas de monóxido de carbono que surge de su altísima densidad en la superficie cuando están en equilibrio con presiones elevadas del gas.
"En el futuro, El uso de estos nanoclusters de platino estables como catalizadores de pilas de combustible puede ayudar a mejorar el rendimiento y reducir los costes. "Dice Somorjai.
El siguiente paso para Somorjai y Salmeron y su equipo de investigación será determinar si otros reactivos adsorbidos, como oxígeno o hidrógeno, también dan lugar a la creación de nanoclusters en platino. También quieren saber si los nanoclusters también se pueden inducir en otros catalizadores metálicos, como el paladio, plata, cobre, rodio, hierro y cobalto.
"Si este nanoclustering es un fenómeno general, tendrá importantes consecuencias para el tipo de estructuras que deben tener los catalizadores a alta presión, condiciones de reacción catalítica de alta temperatura, "Dice Somorjai.
