Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado un nuevo enfoque para estructurar los catalizadores utilizados en reacciones esenciales en los campos químicos y energéticos. El avance ofrece una vía para que las industrias se separen del platino, uno de los metales más escasos en la corteza terrestre.
En un esfuerzo por reducir la dependencia del mundo de la catálisis en este metal altamente reactivo y versátil, pero también bastante costoso, el profesor de ingeniería química de UW-Madison, Manos Mavrikakis y sus colaboradores, han recurrido a la estructura de partículas a nanoescala, organizando átomos paralograr reacciones químicas más potentes al usar menos material.
En un artículo que se publicará el 24 de julio en la revista ciencia , los investigadores describen cómo provocaron una pequeña cantidad de átomos de platino en estructuras huecas de "jaula" que demostraron ser 5.5 veces más potentes que las partículas convencionales de platino no huecas en una reacción de reducción de oxígeno crucial para las celdas de combustible de baja temperatura.
Los investigadores de materiales del Instituto de Tecnología de Georgia inicialmente se encontraron con la nanojaula como un enfoque potencialmente poderoso, y el grupo de Mavrikakis utilizó su experiencia en modelado mecánico cuántico para sintetizar las jaulas con una pequeña cantidad de platino.
El verdadero significado de esta investigación, dice Mavrikakis, se trata menos de la química básica y más de ofrecer un camino a seguir a medida que los ingenieros químicos trabajan para predecir y sintetizar nuevos materiales catalíticos, con el objetivo final de reemplazar el platino y el paladio con metales más asequibles.
"Esto demuestra un concepto completamente nuevo sobre cómo se pueden fabricar materiales que utilizarían una cantidad mínima de metales preciosos", dice Mavrikakis. "El platino es probablemente el catalizador más utilizado en la industria química, lo que significa que usar menos de élayuda a que esa industria sea más sostenible "
Para crear las nano jaulas, los investigadores comienzan con un cubo a nanoescala u octaedro de paladio menos costoso, luego depositan unas pocas capas de átomos de platino encima.
Los cálculos del grupo de Mavrikakis muestran que los átomos de platino tienden a excavar en el paladio durante la deposición. Esto permite que el paladio se elimine mediante agentes de grabado, dejando una estructura en forma de cagel en la forma inicial de la plantilla de paladio con caras formadaspor capas de platino de solo tres a cinco átomos de espesor.
Los reactivos pueden fluir hacia la estructura hueca a través de agujeros en las caras, interactuando con más átomos de platino en la reacción química de lo que sería el caso en una lámina plana de platino o nanopartículas tradicionales no huecas.
"Debido a esta nueva estructura que están adoptando, naturalmente acortan las distancias entre los átomos de platino, lo que hace que el platino sea más activo para la reacción de reducción de oxígeno", dice Luke Roling, un estudiante graduado en el laboratorio de Mavrikakis."También podemos usar más átomos de platino que antes, en el mejor de los casos, podría exponer hasta el doble de su platino".
Mavrikakis señala que, en una versión ampliada de este proceso, sería posible reutilizar los átomos de paladio después de que los agentes de ataque químico los eliminen de la nanopartícula. Jeff Herron, un investigador postdoctoral en el grupo de Mavrikakis, agrega que este proceso proporcionalos ingenieros controlan mucho la forma y la estructura de la partícula, detalles que marcan una gran diferencia en la reactividad de la partícula.
"En lugar de tener nanopartículas quizás no tan bien definidas, puede tener estas facetas bien definidas", dice Herron.
Un desafío en el desarrollo de la nanojaula fue determinar cuántas capas atómicas de platino necesita la estructura para catalizar de manera eficiente las reacciones y ser estable en el entorno reactivo. Si es demasiado delgada, por ejemplo, dos capas atómicas, lala jaula se derrumba. Si es demasiado gruesa, seis o más capas, es más difícil eliminar los átomos de paladio y obtener las jaulas huecas deseadas.
A continuación, los investigadores esperan determinar el grosor óptimo de la faceta de la nanojaula para otros pares metálicos, más allá del platino sobre el paladio.
Si bien los grupos UW-Madison y Georgia Tech han hecho recientemente otros avances significativos en la síntesis de estructuras de materiales que ofrecen una mayor reactividad, Mavrikakis ve que la estructura de la jaula nano ha abierto una nueva vía de investigación para sintetizar nuevos catalizadores.
"La comprensión fundamental de cómo se pueden formar estos materiales y cómo se puede modular su reactividad nos permite ahora ir mucho más allá de este par de elementos y explorar otras posibilidades para buscar materiales catalíticos aún más potentes", dice Mavrikakis, cuyo trabajofue respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Facultad de Ingeniería de UW-Madison. "Si su objetivo es construir nano jaulas de platino, la pregunta es, ¿puede comenzar con algo incluso más barato que el paladio? Los desafíos estarán ahí, pero nosotros 'hemos establecido un marco sobre cómo abordar estos desafíos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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