Los investigadores de la Universidad de Tufts informan hoy de una nueva generación de catalizadores de platino-cobre que requieren concentraciones muy bajas de platino en forma de átomos individuales para realizar de manera limpia y barata reacciones importantes importantes. Comunicaciones de la naturaleza .
El platino se usa como catalizador en celdas de combustible, en convertidores de automóviles y en la industria química debido a su notable capacidad para facilitar una amplia gama de reacciones químicas. Sin embargo, sus usos potenciales futuros están significativamente limitados por la escasez y el costo, tambiéncomo el hecho de que el platino se une fácilmente con el monóxido de carbono, que "envenena" las reacciones deseadas, por ejemplo, en las células de combustible de membrana de electrolito polimérico PEM, que son los principales contendientes para la generación de energía a pequeña escala y móvil no basada en baterías o combustiónmotores.
Los investigadores de Tufts descubrieron que la dispersión de átomos de platino aislados individuales en superficies de cobre mucho menos costosas puede crear un catalizador altamente efectivo y rentable para la hidrogenación selectiva de 1,3 butadieno, una sustancia química producida por el craqueo al vapor de la nafta o por catalizadoragrietamiento del gasóleo. El butadieno es una impureza en las corrientes de propeno que debe eliminarse de la corriente a través de la hidrogenación para facilitar la producción de polímeros aguas abajo. El catalizador industrial actual para la hidrogenación de butadieno utiliza paladio y plata.
como el azúcar en el café
El cobre, aunque es un metal relativamente barato, no es tan catalíticamente poderoso como el platino, señaló el profesor de química Charles Sykes, Ph.D., uno de los autores principales del artículo. "Queríamos encontrar una manera de mejorar suactuación."
Los investigadores primero realizaron experimentos de ciencias de la superficie para estudiar con precisión cómo se mezclan los metales de platino y cobre. "Nos entusiasmó descubrir que el metal de platino se disolvió en cobre, al igual que el azúcar en el café caliente, hasta llegar a átomos individuales.tales materiales aleaciones de un solo átomo ", dijo Sykes.
Los químicos de Tufts usaron un microscopio especializado de túnel de escaneo a baja temperatura para visualizar los átomos de platino individuales y su interacción con el hidrógeno ". Descubrimos que incluso a temperaturas tan bajas como menos 300 grados F, estos átomos de platino eran capaces de dividir las moléculas de hidrógeno en átomos., lo que indica que los átomos de platino serían muy buenos para activar el hidrógeno para una reacción química ", dijo Sykes.
Con ese conocimiento, Sykes y sus colegas químicos recurrieron a la colaboradora de Tufts, Maria Flytzani-Stephanopoulos, Ph.D., Robert y Marcy Haber, profesora de sostenibilidad energética de la Escuela de Ingeniería, para determinar qué reacción de hidrogenaciónser más significativo para aplicaciones industriales. La respuesta, dijo, era butadieno.
El catalizador modelo funcionó eficazmente para esa reacción en condiciones de vacío en el laboratorio, por lo que el equipo de Flytzani-Stephanopoulos llevó el estudio al siguiente nivel. Sintetizaron pequeñas cantidades de catalizadores realistas, como nanopartículas de aleación de un solo átomo de platino-cobre apoyadas en unsustrato de alúmina, y luego los probó bajo presión y temperaturas industriales.
"Para nuestro deleite, estos catalizadores funcionaron muy bien y su rendimiento fue constante durante muchos días", dijo Flytzani-Stephanopoulos. "Si bien habíamos demostrado previamente que el paladio haría reacciones relacionadas en un sistema de reactor cerrado, este trabajo con platino esnuestra primera demostración de operación en un reactor de flujo en condiciones industriales relevantes. Creemos que este enfoque también es aplicable a otros metales preciosos si se agregan como componentes minoritarios en el cobre ".
Además, los investigadores encontraron que la reacción en realidad se volvió menos eficiente cuando usaron más platino, porque los grupos de átomos de platino tienen una selectividad inferior en comparación con los átomos individuales. "En este caso, menos es más", dijo Flytzani-Stephanopoulos, "quees algo muy bueno "
Beneficios ambientales
Debido a que el platino está en el centro de muchas tecnologías de producción de energía limpia y productos químicos verdes, como celdas de combustible, convertidores catalíticos y productos químicos de valor agregado de materias primas bio-renovables, los nuevos catalizadores de platino-cobre menos costosos podrían facilitar una adopción más ampliade tales dispositivos y procesos ecológicos, agregó.
El trabajo es el último fruto de una larga asociación interdisciplinaria entre Sykes y Flytzani-Stephanopoulos.
"Maria y yo nos conocimos hace más de siete años y hablamos regularmente sobre cómo combinar nuestros campos de investigación bastante diferentes en una colaboración efectiva entre las escuelas de Artes, Ciencias e Ingeniería", dijo Sykes. "Tenía un estado de-el microscopio de última generación que podía ver y manipular átomos y moléculas, y quería utilizar sus capacidades únicas para obtener información sobre reacciones químicas de importancia industrial. A principios de la década de 2000, el grupo de Maria había sido pionero en el enfoque de un solo átomo para metales anclados en óxidoadmite como sitios activos exclusivos para la reacción de cambio de agua y gas para actualizar las corrientes de hidrógeno para el uso de celdas de combustible. Conocimientos de diseño de catalizadores ya existían en su laboratorio. En retrospectiva, parece obvio que combinar fuerzas sería un desarrollo "natural".Juntos nos embarcamos en una nueva dirección que involucra aleaciones de un solo átomo como catalizadores para reacciones de hidrogenación selectivas. Nuestro microscopio fue especialmente adecuado para caracterizar la composición atómica de las superficies.obtuvo fondos de la National Science Foundation, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la iniciativa Tufts Collaborates para desarrollar esta nueva área de investigación "
Sykes y Flytzani-Stephanopoulos han utilizado este enfoque para diseñar una variedad de catalizadores de aleación de un solo átomo que, en los últimos dos años, han despertado interés internacional.
"Tradicionalmente, el desarrollo del catalizador ocurre por ensayo y error y la detección de muchos materiales", dijo Flytzani-Stephanopoulos. "En este estudio tomamos un enfoque fundamental para comprender la estructura de escala atómica y las propiedades de las superficies de aleación de un solo átomo y luego aplicamos este conocimiento adesarrollar un catalizador funcional. Armados con este conocimiento, ahora estamos listos para comparar la estabilidad de estos catalizadores de aleación de un solo átomo con catalizadores de un solo átomo soportados en varias superficies de óxido o carbono. Esto puede darnos criterios muy útiles para el diseño de catalizadores industriales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tufts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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