Ciencias

Nanopartículas: el complejo ritmo de la química

IMAGEN: a) Los catálogos modernos consisten en nanopartículas; (b) Una punta de rodio como modelo para una nanopartícula; (c) Seguir una reacción química en tiempo real con un microscopio de emisión de campo (d) … ver más

Crédito: TU Wien

La mayoría de los productos químicos comerciales se producen con catalizadores. Por lo general, estos catalizadores consisten en diminutas nanopartículas metálicas que se colocan sobre un soporte de óxido. Similar a un diamante tallado, cuya superficie consta de diferentes facetas orientadas en diferentes direcciones, una nanopartícula catalítica también tiene diferentes facetas cristalográficas, y estas facetas pueden tener diferentes propiedades químicas.

Hasta ahora, estas diferencias a menudo no se han tenido en cuenta en la investigación de catálisis porque es muy difícil obtener información sobre la reacción química en sí y la estructura de la superficie del catalizador al mismo tiempo. En TU Wien (Viena), esto se ha logrado ahora combinando diferentes métodos microscópicos: con la ayuda de la microscopía electrónica de campo y la microscopía iónica de campo, se ha hecho posible visualizar la oxidación del hidrógeno en una sola nanopartícula de rodio en el tiempo. Resolución nanométrica . Esto reveló efectos sorprendentes que deben tenerse en cuenta en la búsqueda de mejores catalizadores en el futuro. Los resultados ya han sido presentados en una revista científica. Ciencias.

El ritmo de las reacciones químicas.

“En determinadas reacciones químicas, un catalizador puede alternar periódicamente entre un estado activo y uno inactivo”, dice el Prof. Günter Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de TU Wien. “Pueden ocurrir fluctuaciones químicas autosostenidas entre los dos estados; el químico Gerhard Ertl recibió el Premio Nobel de Química por este descubrimiento en 2007”.

Este es también el caso de las nanopartículas de rodio, que se utilizan como catalizador para la oxidación del hidrógeno, la base de cada pila de combustible. En determinadas condiciones, las nanopartículas pueden oscilar entre un estado en el que las moléculas de oxígeno se disocian en la superficie de la partícula y un estado en el que se une el hidrógeno.

El oxígeno incorporado cambia el comportamiento de la superficie

“Cuando una partícula de rodio se expone a una atmósfera de oxígeno e hidrógeno, las moléculas de oxígeno se dividen en átomos individuales en la superficie del rodio. Estos átomos de oxígeno pueden migrar por debajo de la capa superior de rodio y acumularse como oxígeno subsuperficial”, explica el Prof . Yuri Suchorski, primer autor del estudio.

Mediante la interacción con el hidrógeno, estos átomos de oxígeno almacenados pueden volver a entrar y reaccionar con los átomos de hidrógeno. Entonces, hay espacio para más átomos de oxígeno dentro de la partícula de rodio nuevamente y el ciclo comienza de nuevo. “Este mecanismo de retroalimentación controla la frecuencia de las oscilaciones”, dice Yuri Suchorski.

Hasta ahora, se pensaba que estas oscilaciones químicas siempre ocurrían sincrónicamente al mismo ritmo en toda la nanopartícula. Después de todo, los procesos químicos en las diferentes facetas de la superficie de la nanopartícula están acoplados espacialmente, ya que los átomos de hidrógeno pueden migrar fácilmente de una faceta a las facetas adyacentes.

Sin embargo, los resultados del Prof. Günther Rupprechter y el Prof. Yuri Suchorski muestra que las cosas son en realidad mucho más complejas: bajo ciertas condiciones, el acoplamiento espacial es alto y las facetas adyacentes oscilan repentinamente a frecuencias significativamente diferentes, y en algunas regiones de la nanopartícula, estas “ondas químicas” oscilantes no se propagan.

“Esto se puede explicar a escala atómica”, dice Yuri Suchorski. “Bajo la influencia del oxígeno, las hileras de átomos de rodio que sobresalen pueden emerger de una superficie lisa”. Estas filas de átomos pueden actuar como una especie de “rompe olas” y evitar la migración de átomos de hidrógeno de una faceta a otra: las facetas se desacoplan.

Si ese es el caso, las facetas individuales pueden formar oscilaciones de diferentes frecuencias. “En diferentes facetas, los átomos de rodio están dispuestos de manera diferente en la superficie”, dice Günther Rupprechter. “Es por eso que la incorporación de oxígeno bajo las diferentes facetas de la partícula de rodio también ocurre a diferentes velocidades y, por lo tanto, las oscilaciones con diferentes frecuencias dan como resultado facetas cristalográficamente diferentes”.

Una punta de hemisferio como modelo de nanopartículas

La clave para desentrañar este complejo comportamiento químico es el uso de una fina punta de rodio como modelo para una nanopartícula catalítica. Se aplica un campo eléctrico y, debido al efecto túnel de la mecánica cuántica, los electrones pueden salir de la punta. Estos electrones se aceleran en el campo eléctrico y llegan a una pantalla, donde se crea una imagen de proyección de la punta con una resolución de unos 2 nanómetros.

A diferencia de los microscopios de barrido, donde las ubicaciones de la superficie se escanean una tras otra, esta imagen paralela visualiza todos los átomos en la superficie simultáneamente; de ​​lo contrario, no sería posible monitorear la sincronización y desincronización de las oscilaciones.

Los nuevos conocimientos sobre la interacción de las facetas individuales de una nanopartícula ahora pueden conducir a catalizadores más efectivos y proporcionar conocimientos atómicos profundos sobre los mecanismos de la cinética de reacción no lineal, la formación de patrones y el acoplamiento espacial.

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Investigación financiada por el Austrian Science Fund (FWF) dentro del proyecto “Fenómenos espacio-temporales en bibliotecas de estructuras superficiales”.

Contacto

Profe. Günther Rupprechter

Instituto de Química de Materiales

TU Viena

+43 1 58801 165100

[email protected]

Profe. Yuri Suchorski

Instituto de Química de Materiales

TU Viena

+43 1 58 801165106

[email protected]

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