Los investigadores de la Universidad de Brown han desarrollado una nueva teoría para explicar por qué estirar o comprimir los catalizadores metálicos puede hacer que funcionen mejor. La teoría, descrita en la revista Catálisis de la naturaleza , podría abrir nuevas posibilidades de diseño para nuevos catalizadores con nuevas capacidades.
Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas. La gran mayoría de la catálisis industrial involucra superficies sólidas, a menudo metales, que catalizan reacciones en líquidos o gases. Un convertidor catalítico en un automóvil, por ejemplo, utiliza catalizadores metálicos para extraer toxinas degases de escape. También hay interés en utilizar catalizadores metálicos para convertir el dióxido de carbono en combustibles, fabricar fertilizantes a partir del nitrógeno atmosférico e impulsar reacciones en automóviles con celdas de combustible.
La investigación en los últimos años ha demostrado que aplicar una deformación a los catalizadores metálicos, ya sea compresión o tensión, en algunos casos puede cambiar la forma en que funcionan.
"La tensión es un tema realmente candente en la catálisis en este momento", dijo Andrew Peterson, profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de Brown y coautor de la investigación. "Estamos empezando a ver cosas que suceden bajo una tensión que no es fácilexplicado por la teoría tradicional de cómo funcionan los catalizadores. Eso nos hizo pensar en un marco alternativo para esta pregunta "
Un catalizador metálico funciona haciendo que los reactivos se unan a su superficie, un proceso conocido como adsorción. La adsorción rompe los enlaces químicos de las moléculas de reactivo, permitiendo que tengan lugar varias etapas de una reacción química en la superficie del metal. Después de las etapas de reacción soncompleto, el producto final se libera del catalizador a través del proceso inverso, llamado desorción.
La propiedad clave de un catalizador es su reactividad, lo que significa cuán fuertemente se une a las moléculas químicas a su superficie. Los catalizadores deben ser algo reactivos para que se produzca la unión, pero no demasiado reactivo. Demasiada reactividad hace que el catalizador mantenga moléculas demasiado apretadas, lo quepuede dificultar algunas etapas de la reacción o hacer que los productos finales no se puedan desorber.
Se ha demostrado en los últimos años que aplicar una deformación a un catalizador puede ajustar su reactividad, y existe una teoría bien establecida sobre cómo funciona. En términos generales, la teoría predice que la deformación por tracción debería aumentar la reactividad, mientras que la compresión debería reducirlaSin embargo, Peterson y su grupo siguieron encontrando sistemas que la teoría no explica fácilmente.
Eso hizo que los investigadores pensaran en una nueva forma de ver el problema. La teoría tradicional describe cosas sobre el nivel de electrones y bandas de electrones. La nueva teoría se aleja un poco, enfocándose en cambio en la mecánica de cómo las moléculas interactúan con un catalizadorred atómica.
Peterson y su equipo demostraron que las moléculas unidas a la superficie de un catalizador tenderán a separar los átomos en la red o acercarlos, dependiendo de las características de las moléculas y los sitios de unión. Las diferentes fuerzas producidas por las moléculas tienen interesantesimplicaciones sobre cómo la tensión externa debería afectar la reactividad de un catalizador. Sugiere que la tensión, que estira la red atómica de un catalizador, debería hacer que un catalizador sea más reactivo a las moléculas que naturalmente quieren separar la red. Al mismo tiempo, la tensión debería disminuir la reactividad paramoléculas que quieren unir la red. La compresión, al apretar la red, tiene un efecto inverso.
La nueva teoría no solo ayuda a explicar resultados previamente desconcertantes, sino que hace nuevas predicciones importantes. Específicamente, predice una forma de romper las relaciones de escala tradicionales entre catalizadores y diferentes tipos de moléculas.
"Las relaciones de escala significan que, en circunstancias normales, cuando aumenta la reactividad de un catalizador para un químico, también aumenta la reactividad para otros químicos", dijo Peterson. "Del mismo modo, si disminuye la reactividad para un químico, lo disminuyepara otros."
Esas relaciones de escala causan compensaciones problemáticas cuando se trata de optimizar un catalizador. Obtener la reactividad perfecta para una sustancia química podría causar que otra sustancia química se una muy fuerte o demasiado floja, lo que podría inhibir algunas etapas de una reacción. Pero esta nueva teoría sugiere quela tensión puede romper esas relaciones de escalado, lo que permite que un catalizador se una simultáneamente a una sustancia química con más fuerza y a otra de manera más flexible, dependiendo de la interacción natural de la sustancia química con la red atómica del catalizador y la forma en que el campo de tensión se diseña en la superficie del catalizador.
"Ahora puede comenzar a pensar en catalizadores de ajuste muy fino para que funcionen mejor en los diferentes pasos de reacción", dijo Peterson. "Eso podría mejorar drásticamente el rendimiento de un catalizador, dependiendo de los químicos involucrados".
El equipo de Peterson ha comenzado a armar una base de datos de productos químicos de reacción comunes y sus interacciones con diferentes superficies de catalizador. Esa base de datos podría servir como guía para encontrar reacciones que podrían beneficiarse de la tensión y la ruptura de las relaciones de escala.
Mientras tanto, Peterson espera que el trabajo que han realizado hasta ahora brinde a la comunidad de catálisis una nueva forma de pensar sobre la tensión.
"Estamos tratando de dar un marco que proporcione una comprensión más intuitiva de cómo funciona la deformación en catálisis", dijo Peterson. "Entonces, a medida que las personas diseñan nuevos catalizadores, pueden pensar en formas de aprovechar mejor estos efectos de deformación".
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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