En TU Wien (Viena), los científicos utilizan técnicas de microscopía para observar reacciones químicas en catalizadores con mayor precisión que antes, produciendo una gran cantidad de detalles. Esto dejó en claro por qué algunos efectos no se pueden predecir.
Catálisis bajo el microscopio
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Se utilizaron nueve configuraciones diferentes de catalizadores para transformar hidrógeno y oxígeno en agua.
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Los catalizadores compuestos por diminutas partículas metálicas desempeñan un papel importante en muchas áreas de la tecnología, desde las pilas de combustible hasta la producción de combustibles sintéticos para el almacenamiento de energía. Sin embargo, el comportamiento exacto de los catalizadores depende de muchos detalles y su interacción suele ser difícil de comprender. Incluso cuando se prepara exactamente el mismo catalizador dos veces, a menudo resulta que estos dos difieren en formas minúsculas y, por lo tanto, se comportan químicamente de manera muy diferente.
En TU Wien, los científicos intentan identificar las razones de tales efectos mediante la obtención de imágenes de las reacciones catalíticas que tienen lugar en varios sitios en estos catalizadores, aplicando varias técnicas de microscopía diferentes. Tal enfoque produce una comprensión confiable y microscópicamente correcta de los procesos catalíticos.
Al hacerlo, parecía que incluso los sistemas catalíticos relativamente «simples» eran más complejos de lo esperado. Por ejemplo, no es solo el tamaño de las partículas metálicas utilizadas o la naturaleza química del material de soporte lo que define las propiedades catalíticas. Incluso dentro de una sola partícula de metal, pueden prevalecer diferentes escenarios en la escala micrométrica. En combinación con simulaciones numéricas, el comportamiento de diferentes catalizadores puede explicarse y predecirse correctamente.
No todas las partículas son iguales
“Investigamos la combustión del posible hidrógeno portador de energía del futuro con oxígeno, formando agua pura, utilizando partículas de rodio como catalizadores”, explica el Prof. Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de TU Wien. Varios parámetros juegan un papel importante en este proceso: ¿Qué tamaño tienen las partículas individuales de rodio? ¿A qué material de soporte están unidos? ¿A qué temperatura y a qué presión de los reactivos tiene lugar la reacción?
“El catalizador está hecho de partículas de rodio soportadas, pero no se comporta como un objeto uniforme que pueda describirse mediante unos pocos parámetros simples, como se intentó a menudo en el pasado”, señala Günther Rupprechter. “Pronto quedó claro que el comportamiento catalítico varía mucho en las diferentes ubicaciones del catalizador. Un área de una determinada partícula de rodio puede ser catalíticamente activa, mientras que otra, a solo unos micrómetros de distancia, puede ser catalíticamente inactiva. Y unos minutos más tarde, la situación puede incluso haberse invertido”.
Nueve catalizadores en un solo barrido
Para los experimentos, el primer autor del estudio, publicado en la revista ACS Catalysis, el Dr. Philipp Winkler, preparó una impresionante muestra de catalizador, que comprende nueve catalizadores diferentes con partículas de metal de diferentes tamaños y diferentes materiales de soporte. Por lo tanto, en un aparato dedicado, todos los catalizadores pueden observarse y compararse simultáneamente en un solo experimento.
“Con nuestros microscopios, podemos determinar si el catalizador es catalíticamente activo, su composición química y propiedades electrónicas, y esto para cada punto individual de la muestra”, dice Philipp Winkler. “Por el contrario, los métodos tradicionales generalmente solo miden un valor promedio para toda la muestra. Sin embargo, como hemos demostrado, esto a menudo no es suficiente”.
Aún más complejo de lo previsto
El análisis químico a escala microscópica mostró que la composición del catalizador podía variar localmente incluso más de lo esperado: incluso dentro de las partículas metálicas individuales se observaron fuertes diferencias. “Los átomos del material de soporte pueden migrar a las partículas o incluso formar aleaciones superficiales”, dice Günther Rupprechter. “En algún momento, ya no hay un límite claro, sino una transición continua entre la partícula del catalizador y el material de soporte. Es crucial considerar este hecho, porque también afecta la actividad química”.
En un próximo paso, el equipo de TU Wien aplicará los conocimientos adquiridos y los métodos exitosos para abordar procesos catalíticos aún más complejos, en su misión continua de explicar los procesos a escala microscópica, contribuir al desarrollo de catalizadores mejorados y a la búsqueda de nuevos catalizadores. .
