Como muestra ampliamente todo vehículo de depósito de chatarra, el hierro es propenso a oxidarse y convertirse en óxido de hierro. Pero esta misma reactividad también hace que el hierro y sus compuestos sean herramientas útiles para reinventar las transformaciones químicas.

El uso de abundante óxido de hierro para ayudar a los metales a convertir el dióxido de carbono en productos útiles reduciría simultáneamente las emisiones y agregaría valor a las corrientes de desechos.

Métodos actuales para preparar catalizadores de óxidos metálicos, los caballos de batalla de las transformaciones químicas, requieren altas temperaturas y presiones. Es por eso que los químicos de PNNL se sienten alentados por los resultados de su nuevo estudio publicado en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

La investigación describe una nueva técnica que produce nanopartículas metálicas recubiertas de óxido de hierro apoyadas en óxido de hierro sólido, en un solo paso, a casi temperatura ambiente. Estos materiales muestran una alta actividad para la conversión de dióxido de carbono en monóxido de carbono, uno de los componentes de una importante fuente de combustible y química llamada gas de síntesis.

Catalizadores inversos como un enfoque de próxima generación para la conversión de energía

La nueva técnica da la vuelta al enfoque tradicional de conversión química. Si bien la mayoría de los catalizadores industriales usan el óxido solo como estructura de soporte, estos catalizadores de nanopartículas a base de óxido de hierro están invertidos o "inversos". Además de brindar el apoyo, el hierro reactivo se libera de la superficie durante la síntesis y se deposita nuevamente en el sólido, formando un recubrimiento sobre las nanopartículas metálicas.

Los catalizadores inversos no se utilizan comercialmente porque normalmente son difíciles de fabricar y de producir en grandes cantidades. Si se pudieran superar los obstáculos técnicos, que se demostró posible en este estudio, Los catalizadores inversos serían herramientas excelentes para convertir el dióxido de carbono residual en materias primas químicas, las materias primas que se utilizan en muchos otros procesos industriales.

"Nuestros hallazgos proporcionan evidencia de que estos catalizadores inversos tienen una reactividad catalítica convincente en condiciones de reacción suaves debido al recubrimiento de óxido de hierro, "dijo Oliver Gutiérrez, un químico de PNNL que ayudó a dirigir el proyecto de investigación. "La técnica es versátil y fácilmente escalable".

"Queremos agregar valor al dióxido de carbono para evitar verterlo en la atmósfera, ", agregó." Si se escala a la industria, esto podría ser aplicable a cualquier empresa con residuos de dióxido de carbono ".

Nanopartículas decoran la superficie del nuevo catalizador

El nuevo método de preparación aprovecha la reactividad inherente del óxido de hierro para impartir algunas propiedades nuevas e importantes a las nanopartículas metálicas sobre el soporte de óxido metálico.

"Observamos que los iones de hierro se desplazan desde el óxido de hierro de soporte, a la solución de agua, para volver al sólido en la superficie de la nanopartícula durante nuestra síntesis, "dijo Gutiérrez." Eso es nuevo. El revestimiento de óxido de hierro es altamente reactivo junto con la superficie del metal, aumentando enormemente el área disponible para la reacción catalítica ".

La química del hierro imita lo que se ve dentro de la Tierra

El hallazgo también ilumina los procesos naturales que ciclan el hierro, el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, tiempo extraordinario.

"La interfaz hierro-agua mineral es importante en la ciencia del subsuelo, "dijo Kevin Rosso, un geoquímico y becario de laboratorio en PNNL, quien también contribuyó al trabajo. "Los dos principales estados de oxidación del hierro se combinan para formar una interfaz dinámica, y esto juega un papel importante en ambos entornos. Lo que descubrimos aquí en el contexto de la catálisis también puede ayudarnos a comprender el transporte geoquímico de metales en el subsuelo ".

Potencial de gas de síntesis

Una vez preparado el catalizador, los científicos llevaron a cabo experimentos que demostraron que el catalizador inverso podía convertir eficientemente el dióxido de carbono en monóxido de carbono, un componente del gas de síntesis, una materia prima versátil para la industria química.

"Con la capa de óxido, hicimos que toda la superficie de la nanopartícula a base de hierro se comporte como una interfaz, ", dijo Gutiérrez." Eso permitió a nuestro sistema lograr una mejora de un orden de magnitud en la conversión química selectiva a monóxido de carbono sobre los catalizadores de nanopartículas basados ​​únicamente en metales preciosos ".

Ahora el equipo está buscando ajustar las nanopartículas metálicas para diferentes reacciones y comprender mejor la química en esta interfaz de reacción.