La presencia de impurezas de monóxido de carbono (CO) en gas hidrógeno (H ₂ ) puede tener un impacto perjudicial en el rendimiento de las pilas de combustible. Estudios recientes han demostrado que las nanopartículas de oro (partículas de menos de cinco nanómetros de ancho) pueden eliminar catalíticamente las impurezas de CO de H ₂ en condiciones de temperatura y presión suaves. Este conocimiento revolucionario ha ayudado a facilitar el desarrollo de vehículos de pila de combustible que utilizan tecnología de procesamiento de combustible "a bordo". Desafortunadamente, Las nanopartículas de oro tienden a perder su actividad catalítica después de unas pocas horas de uso, y los científicos deben superar este problema si se van a utilizar nanopartículas de oro.

Ziyi Zhong en el Instituto A * STAR de Ciencias Químicas e Ingeniería, Ming Lin del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales y sus colaboradores han identificado lo sutil, transformaciones estructurales a escala atómica que pueden activar y desactivar los catalizadores de nanopartículas de oro, un hallazgo que puede conducir a pilas de combustible de hidrógeno de mayor duración.

Los investigadores se propusieron diseñar un catalizador mejorado para las llamadas reacciones de oxidación preferencial (PROX). Este enfoque transforma las impurezas de CO en dióxido de carbono (CO ₂ ) sobre un soporte cerámico que contiene catalizadores metálicos. Previamente, el equipo descubrió que los soportes a base de sílice, llamado SBA-15, podría impulsar la eliminación de CO absorbiendo selectivamente el CO ₂ subproducto. Los investigadores aprovecharon otra característica de SBA-15, una estructura mesoporosa decorada por grupos de amina terminales, para diseñar un catalizador PROX novedoso.

Primero, el equipo utilizó la modificación de amina para dispersar una mezcla de precursores de óxido de oro y cobre (II) (CuO) de manera uniforme sobre el soporte SBA-15. Luego utilizaron un tratamiento térmico para generar nanopartículas de oro y CuO en el soporte SBA-15. Los numerosos poros del SBA-15 y las partículas de CuO trabajan juntos para impedir la aglomeración de las nanopartículas de oro, una de las principales causas de la desactivación del catalizador.

Luego, el equipo logró una hazaña química casi sin precedentes:caracterización estructural localizada de su catalizador a escala atómica, utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM) y tomografía electrónica tridimensional (vea la película a continuación). Estas técnicas de obtención de imágenes revelaron que los sitios catalíticos activos (nanopartículas de aleación de oro o de oro y cobre en las inmediaciones del CuO amorfo y cristalino) permanecieron estables hasta por 13 horas. Sin embargo, la atmósfera reductora eventualmente transforma el CuO en óxido de cobre (I) y cobre libre; el último de los cuales luego se alea con las nanopartículas de oro y las desactiva. Afortunadamente, calentar a> 300 ° C invirtió el proceso de aleación y restauró la actividad del catalizador.

"Las personas que trabajan en catálisis siempre sienten curiosidad por las 'estructuras locales' de sus materiales, "dice Zhong." Debido a que el catalizador Au-CuO / SBA-15 está activo a temperatura ambiente, La caracterización avanzada en nuestras instalaciones de última generación es posible, aunque requiere mucha paciencia y colaboración multidisciplinaria ".