Por primera vez, investigadores de la Universidad Técnica de Viena han observado con éxito en tiempo real el principio de funcionamiento de los llamados "promotores" en una reacción catalítica. Estos promotores desempeñan un papel importante en la tecnología, pero hasta ahora existe una comprensión limitada de cómo funcionan.
Los catalizadores son esenciales para numerosas tecnologías químicas, desde la purificación de gases de escape hasta la producción de sustancias químicas y portadores de energía valiosos. A menudo, se utilizan pequeñas trazas de sustancias adicionales junto con los catalizadores para hacerlos muy eficaces. Estas sustancias se denominan "promotores". Si bien desempeñan un papel crucial en la tecnología, han sido notoriamente difíciles de estudiar.
En la mayoría de los casos, determinar qué cantidad de promotores tiene qué efectos sobre un catalizador ha sido un proceso de prueba y error. Sin embargo, los investigadores de la Universidad Técnica de Viena han logrado observar directamente el papel de los promotores del lantano en la oxidación del hidrógeno.
Utilizando métodos de microscopía de alta tecnología, visualizaron el papel de los átomos de La individuales. Su estudio reveló que dos áreas de superficie del catalizador actúan como marcapasos, similar a los directores de una orquesta. El promotor juega un papel vital en su interacción, controlando los marcapasos. Los resultados de este estudio se han publicado en la revista Nature Communications. .
"Muchos procesos químicos utilizan catalizadores en forma de pequeñas nanopartículas", afirma el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. Si bien el rendimiento de los catalizadores se puede determinar fácilmente mediante el análisis de productos, no se pueden obtener conocimientos microscópicos con este enfoque.
Esto ha cambiado ahora. Durante varios años, Günther Rupprechter y su equipo han desarrollado métodos sofisticados que permiten observar directamente nanopartículas individuales durante una reacción química. Esto permite ver cómo cambia la actividad en diferentes lugares de estas nanopartículas durante el curso de la reacción.
"Utilizamos nanopuntas de rodio que se comportan como nanopartículas", afirma Günther Rupprechter. "Pueden servir como catalizadores, por ejemplo, cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar moléculas de agua:la reacción que estamos examinando en detalle."
En los últimos años, el equipo de TU Wien ya demostró que diferentes regiones de las superficies de nanopartículas exhiben comportamientos diferentes:oscilan entre un estado activo e inactivo. A veces, la reacción química deseada ocurre en ciertos lugares, mientras que otras veces no.
Utilizando microscopios específicos, se ha demostrado que en cada nanopartícula se producen varias oscilaciones de este tipo en paralelo y que todas se influyen entre sí. Ciertas regiones de la superficie de las nanopartículas, a menudo de sólo unos pocos átomos de diámetro, desempeñan un papel más importante que otras:actúan como "marcapasos" altamente eficientes, controlando incluso las oscilaciones químicas de otras regiones.
Los promotores ahora pueden interferir en este comportamiento del marcapasos, y eso es precisamente lo que los métodos desarrollados en la Universidad Técnica de Viena han permitido investigar a los investigadores. Cuando se utiliza rodio como catalizador, el lantano puede servir como promotor de reacciones catalíticas. Se colocaron átomos de lantano individuales sobre la pequeña superficie de una nanopartícula de rodio. Se investigó la misma partícula tanto en presencia como en ausencia del promotor. Este enfoque reveló en detalle el efecto específico de los átomos de lantano individuales en el progreso de la reacción química.
Maximilian Raab, Johannes Zeininger y Carla Weigl realizaron los experimentos. "La diferencia es enorme", afirma Maximilian Raab. "Un átomo de lantano puede unirse al oxígeno y eso cambia la dinámica de la reacción catalítica". La pequeña cantidad de lantano altera el acoplamiento entre diferentes áreas de la nanopartícula.
"El lantano puede desactivar selectivamente determinados marcapasos", explica Johannes Zeininger. "Imagínese una orquesta con dos directores:escucharíamos música bastante compleja. El promotor se asegura de que solo quede un marcapasos, lo que simplifica y ordena la situación."
Además de las mediciones, el equipo, apoyado por Alexander Genest y Yuri Suchorski, desarrolló un modelo matemático para simular el acoplamiento entre las áreas individuales de la nanopartícula. Este enfoque ofrece una forma más poderosa que antes de describir la catálisis química:no solo basándose en la entrada y la salida, sino en un modelo complejo que considera cómo las diferentes áreas del catalizador cambian entre actividad e inactividad y, controladas por promotores, se influyen mutuamente entre sí. .
Más información: Maximilian Raab et al, Marcapasos de reacción modulada por lantano en una única nanopartícula catalítica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43026-3
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena
