Las nanopartículas se pueden utilizar de muchas formas como catalizadores. Para poder adaptarlos de tal manera que puedan catalizar ciertas reacciones de manera selectiva y eficiente, los investigadores deben determinar las propiedades de las partículas individuales con la mayor precisión posible. Hasta aquí, se analiza un conjunto de muchas nanopartículas. Sin embargo, El problema de estas investigaciones es que las contribuciones de diferentes partículas interfieren, de modo que las propiedades de las partículas individuales permanezcan ocultas. Investigadores de Ruhr-Universiät Bochum en cooperación con colegas de la Universidad de Duisburg-Essen y la Universidad Técnica de Munich han desarrollado un método novedoso para observar nanopartículas individuales antes, durante y después de una reacción electroquímica. Representan el proceso en la revista. Angewandte Chemie , publicado el 16 de abril de 2019.

Observando el ciclo de vida completo

"Para comprender de manera integral la actividad catalítica de una nanopartícula, tenemos que observar cómo cambia su estructura y composición, desde el precatalizador hasta el catalizador activo y, finalmente, hasta la condición después de la reacción, "explica el profesor Wolfgang Schuhmann, jefe del Centro de Ciencias Electroquímicas. "Es por eso que hemos desarrollado la partícula en el palo".

Los investigadores cultivaron una nanopartícula de catalizador en la punta de un nanoelectrodo de carbono, posteriormente lo activó y lo utilizó para catalizar una reacción electroquímica. A diferencia de los enfoques anteriores, el nuevo método hizo posible que el equipo observara el ciclo de vida completo de la partícula.

Fabricando la partícula en el palo

En el primer paso los químicos modificaron el nanoelectrodo de carbono de modo que la partícula se adhiera preferiblemente a la punta del electrodo. Después, sumergieron la punta del electrodo en una solución, que contenía los materiales precursores del catalizador. Después, estos componentes ensamblados automáticamente, finalmente produciendo una partícula simétrica, en el que los elementos constitutivos, el cobalto metálico y los componentes orgánicos carbonosos, se distribuyeron uniformemente.

El grupo analizó la forma de las partículas mediante microscopía electrónica de transmisión. Con una forma especial de espectroscopia de rayos X, los investigadores determinaron la distribución elemental dentro de la partícula. Repitieron estos análisis después de cada paso para monitorear cómo cambió la partícula.

Nanoconjunto estable de electrodo y partícula

En el siguiente paso, los investigadores utilizaron el calentamiento para desencadenar la descomposición de los compuestos orgánicos y la formación de una matriz de carbono con nanopartículas de cobalto incrustadas muy pequeñas. Así es como se formó el material catalíticamente activo real en la punta del nanoelectrodo.

Después, los químicos utilizaron la partícula como catalizador para la producción de oxígeno a partir del agua mediante electrólisis. La nanopartícula se desempeñó de manera excelente y alcanzó tasas de rotación, que son comparables a los dispositivos de electrólisis industrial.

"Para nosotros era aún más importante ver que el nanoconjunto de electrodo y partícula era lo suficientemente estable para un examen de seguimiento después de la catálisis, ", dice Wolfgang Schuhmann. El análisis reveló que las partículas experimentaron una reestructuración considerable durante la reacción. De esa manera, el método permite controlar los cambios de un catalizador a tasas de rotación muy altas.

Los investigadores no solo pudieron determinar la actividad catalítica de una nanopartícula individual con su metodología, pero también podían monitorear su forma y composición química durante todo el ciclo de vida, completamente sin la interferencia de otras partículas.