Los catalizadores abren vías para que las reacciones químicas se desarrollen a un ritmo más rápido y eficiente, y el desarrollo de nuevas tecnologías catalíticas es una parte fundamental de la transición a la energía verde.
El laboratorio de la pionera en nanotecnología Naomi Halas de la Universidad Rice ha descubierto un enfoque transformador para aprovechar el poder catalítico de las nanopartículas de aluminio recociéndolas en varias atmósferas de gas a altas temperaturas.
Según un estudio publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences , Los investigadores y colaboradores de Rice demostraron que cambiar la estructura de la capa de óxido que recubre las partículas modifica sus propiedades catalíticas, convirtiéndolas en una herramienta versátil que puede adaptarse para adaptarse a las necesidades de diferentes contextos de uso, desde la producción de combustibles sostenibles hasta la producción de agua. reacciones basadas.
"El aluminio es un metal abundante en la Tierra que se utiliza en muchas aplicaciones estructurales y tecnológicas", dijo Aaron Bayles, alumno de doctorado de Rice y autor principal del artículo. "Todo el aluminio está recubierto con una superficie de óxido y hasta ahora no sabíamos cuál era la estructura de esta capa de óxido nativo en las nanopartículas. Este ha sido un factor limitante que ha impedido la aplicación generalizada de nanopartículas de aluminio".
Las nanopartículas de aluminio absorben y dispersan la luz con notable eficiencia debido a la resonancia de plasmón superficial, un fenómeno que describe la oscilación colectiva de los electrones en la superficie del metal en respuesta a la luz de longitudes de onda específicas. Al igual que otras nanopartículas plasmónicas, el núcleo de nanocristal de aluminio puede funcionar como una antena óptica a nanoescala, lo que lo convierte en un catalizador prometedor para reacciones basadas en la luz.
"Casi todos los químicos, cada plástico que utilizamos a diario, provienen de un proceso catalítico, y muchos de estos procesos catalíticos dependen de metales preciosos como platino, rodio, rutenio y otros", dijo Bayles. P>
"Nuestro objetivo final es revolucionar la catálisis, haciéndola más accesible, eficiente y respetuosa con el medio ambiente", afirmó Halas, profesor universitario de mayor rango académico de Rice. "Al aprovechar el potencial de la fotocatálisis plasmónica, estamos allanando el camino hacia un futuro más brillante y sostenible".
El grupo Halas ha estado desarrollando nanopartículas de aluminio para reacciones de fotocatálisis plasmónica, como la descomposición de agentes de guerra química peligrosos y la producción eficiente de productos químicos básicos. La capacidad recientemente descubierta para modificar los óxidos de la superficie de las nanopartículas de aluminio aumenta aún más su versatilidad para su uso como catalizadores para convertir eficientemente la luz en energía química.
"Si estás haciendo una reacción catalítica, las moléculas de la sustancia que estás buscando transformar interactuarán con la capa de óxido de aluminio en lugar de con el núcleo metálico de aluminio, pero ese núcleo de nanocristal metálico es excepcionalmente capaz de absorber la luz de manera muy eficiente y convertirla en energía, mientras que la capa de óxido cumple el papel de un reactor, transfiriendo esa energía a las moléculas reactivas", dijo Bayles.
Las propiedades del recubrimiento de óxido de las nanopartículas determinan cómo interactúan con otras moléculas o materiales. El estudio aclara la estructura de esta capa de óxido nativo en nanopartículas de aluminio y muestra que tratamientos térmicos simples (es decir, calentar las partículas a temperaturas de hasta 500 grados Celsius (932 Fahrenheit) en diferentes gases) pueden cambiar su estructura.
"La fase cristalina, la tensión intrapartícula y la densidad de los defectos pueden modificarse mediante este sencillo enfoque", dijo Bayles. "Al principio estaba convencido de que los tratamientos térmicos no hacían nada, pero los resultados me sorprendieron."
Uno de los efectos de los tratamientos térmicos fue mejorar las nanopartículas de aluminio para facilitar la conversión de dióxido de carbono en monóxido de carbono y agua.
"Cambiar la capa de alúmina de esta manera afecta sus propiedades catalíticas, particularmente para la reducción de dióxido de carbono impulsada por la luz, lo que significa que las nanopartículas podrían ser útiles para producir combustibles sostenibles", dijo Bayles, quien ahora es investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. .
Bayles añadió que la capacidad "de utilizar abundante aluminio en lugar de metales preciosos podría tener un enorme impacto para combatir el cambio climático y abre el camino para que otros materiales se mejoren de manera similar".
"Fue relativamente fácil realizar estos tratamientos y obtener grandes cambios en el comportamiento catalítico, lo cual es sorprendente porque se sabe que el óxido de aluminio no es reactivo; es muy estable", dijo Bayles. "Entonces, con algo que es un poco más reactivo, como el óxido de titanio o el óxido de cobre, es posible que se observen efectos aún mayores".
Más información: Aaron Bayles et al, Adaptación del óxido de superficie de nanocristales de aluminio para fotocatalizadores plasmónicos de reactores de antena totalmente basados en aluminio, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2321852121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad Rice
