Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han desarrollado una manera de agregar nanohojas individuales de óxido metálico mixto a nanopartículas de oro soportadas sobre sílice para mejorar su actividad catalítica.

Al convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono, descubrieron que la temperatura requerida para la reacción se reducía considerablemente, con mejoras significativas con respecto a los métodos existentes para recubrir estructuras de oro/sílice. El método allana el camino para el desarrollo de una amplia gama de nuevos catalizadores de alto rendimiento. Los hallazgos se publican en la revista ACS Applied Materials &Interfaces. .

Se sabe que las nanopartículas de oro, partículas de menos de cinco nanómetros de diámetro, son excelentes catalizadores para reacciones químicas, en particular reacciones de oxidación como la conversión del nocivo monóxido de carbono en dióxido de carbono. El efecto es pronunciado cuando se montan sobre óxidos metálicos como el óxido de cobalto, que es más probable que experimenten la reacción opuesta, es decir, óxidos reducibles.

Lamentablemente, no todos los óxidos metálicos son reducibles. Las nanopartículas montadas sobre óxidos irreducibles como la sílice, por ejemplo, no constituyen un catalizador eficaz. Dada la abundancia de sílice en nuestro planeta, una forma de mejorar el rendimiento de dichos materiales impulsaría enormemente el despliegue industrial.

Esto ha llevado a los científicos a buscar formas de modificar los catalizadores soportados para mejorar su rendimiento.

Ahora, un equipo dirigido por el profesor asociado Tamao Ishida de la Universidad Metropolitana de Tokio ha ideado un método para depositar nanohojas individuales de óxidos metálicos mixtos (MMO) utilizando hidróxidos dobles en capas (LDH).

Las LDH consisten en nanohojas de hidróxido metálico con algunos de los iones metálicos sustituidos por iones metálicos con una carga más alta, lo que le da a la propia hoja una carga neta positiva; Las láminas están unidas entre sí por iones negativos. Es importante destacar que las nanohojas individuales se pueden exfoliar y utilizar por separado.

En este estudio, el equipo recubrió nanopartículas de oro soportadas sobre sílice, una estructura cargada negativamente, con nanoláminas de LDH cargadas positivamente que consisten en aluminio y una variedad de otros metales, y luego las expuso a altas temperaturas (calcinación) para formar una nanocapa de MMO.

Al observar su nuevo catalizador, utilizando microscopía electrónica de transmisión, descubrieron que las nanopartículas estaban recubiertas por una capa de menos de un nanómetro de espesor. Para probar su rendimiento, el equipo los utilizó para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono.

Mientras que las nanopartículas de oro sobre sílice solo tenían una tasa de conversión de alrededor del 20% incluso a 300° Celsius, su nuevo catalizador mostró una tasa de conversión del 50% a solo 50° Celsius, una reducción de más de 250° Celsius. También se descubrió que supera a los métodos populares de "impregnación" para el recubrimiento de MMO.

Curiosamente, se descubrió que las capas de MMO más gruesas conducían a un peor rendimiento:el alto rendimiento proviene de tener un recubrimiento subnanómetro. Al observar con más detalle una capa de MMO de aluminio y cobalto, encontraron una gran cantidad de defectos de oxígeno en la capa; El equipo concluyó que la estrecha sinergia entre esta capa llena de defectos y la superficie de oro fue lo que dio lugar a la mayor actividad.

El nuevo catalizador obtuvo un rendimiento excepcional con niveles muy bajos de inclusión de cobalto, menos del 0,3 % en peso. Los hallazgos allanaron el camino para su aplicación a una amplia gama de otros materiales y a toda una familia de nuevos catalizadores de alto rendimiento.

Más información: Kaho Okayama et al, Decoración de catalizadores de nanopartículas de oro y platino mediante una capa de óxido metálico de 1 nm de espesor y su efecto sobre la actividad de oxidación de CO, Interfaces y materiales aplicados ACS (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14935

Información de la revista: Interfaces y materiales aplicados de ACS

Proporcionado por la Universidad Metropolitana de Tokio