El sabor de la formación de hielo del pastel de chocolate no debe depender de si se sirve en un plato de porcelana o plata. Del mismo modo, para reacciones químicas en la superficie de grandes granos de metales preciosos, el sustrato el llamado soporteno debería desempeñar un papel crucial. Los granos catalíticos a menudo tienen un diámetro que abarca muchos miles de átomos, y el soporte sobre el que descansan no debería afectar las reacciones químicas en el otro lado lejos de la interfaz, al menos se creía que estofecha.
Los estudios experimentales realizados en TU Wien condujeron a resultados sorprendentes. Los procesos químicos en los granos de paladio, que también se utilizan para catalizadores de gases de escape, cambiaron significativamente cuando se colocaron en materiales de soporte específicos, a pesar de que el material del soporte escasi inactivo en la reacción química en sí. Esta nueva visión ahora ha sido publicada en la revista Materiales de la naturaleza .
monóxido de carbono tóxico
Para vehículos que usan un motor de combustión interna, el monóxido de carbono tóxico CO debe convertirse en dióxido de carbono CO 2 .Esto se logra mediante el uso de catalizadores que contienen polvo de paladio o platino."Hemos investigado las reacciones químicas en los granos de polvo, que a menudo se usan en catálisis industrial", dice el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de TU Wien."Los granos de metales preciosos tienen un diámetro del orden de 100 micrómetros; esto es muy grande para los estándares de nanotecnología, casi se pueden ver a simple vista".
Cuando la superficie de las partículas de polvo está cubierta por átomos de oxígeno, las moléculas de CO reaccionan con ellas y se transforman en CO 2 , dejando sitios vacíos agujeros en la capa de oxígeno. Estos sitios deben ser llenados rápidamente por otros átomos de oxígeno para sostener la catálisis. Sin embargo, este ya no es el caso cuando las moléculas de CO llenan estos agujeros en lugar de oxígeno. Si esto sucede ena gran escala, la superficie del catalizador ya no está cubierta por una capa de oxígeno sino por una capa de CO y CO 2 por lo tanto, ya no se puede formar. Este fenómeno se llama "envenenamiento por monóxido de carbono", desactiva el catalizador.
El soporte influye en todo el grano
Si esto sucede o no depende de la concentración de CO en el gas de escape suministrado al catalizador. Sin embargo, como muestran los experimentos actuales, el material de soporte en el que se colocan los granos de paladio también es crucial ". Si se colocan los granos de paladioen una superficie de óxido de circonio u óxido de magnesio, el envenenamiento del catalizador se produce a concentraciones de monóxido de carbono mucho más altas ", dice el profesor Yuri Suchorski, el primer autor del estudio. A primera vista, esto es muy sorprendente para los granos de paladio tan grandes¿Por qué la naturaleza del soporte debería tener un efecto sobre las reacciones químicas que tienen lugar en la superficie de todo el grano de metal? ¿Por qué la línea de contacto entre el grano de paladio y el sustrato, que tiene solo unas décimas de nanómetro de ancho, influye en lacomportamiento de los granos de paladio que son cien mil veces más grandes?
Este rompecabezas finalmente podría resolverse con la ayuda del microscopio electrónico especial de fotoemisión en el Instituto de Química de Materiales en TU Wien. Con este dispositivo, la propagación espacial de una reacción catalítica se puede monitorear en tiempo real ". Podemos observar claramenteque la intoxicación por monóxido de carbono siempre comienza en el borde de un grano, exactamente donde entra en contacto con el soporte ", explica el profesor Yuri Suchorski." A partir de ahí, la "intoxicación por monóxido de carbono" se extiende como una ola de tsunami sobre todo el grano ".
El monóxido de carbono ataca mejor en la frontera
Es principalmente por razones geométricas que la onda de envenenamiento comienza exactamente allí: los átomos de oxígeno en el borde del grano tienen menos átomos de oxígeno vecinos que los de la superficie interior. Cuando los sitios libres se abren allí, es más fácil para unMolécula de CO para poblar estos sitios que aquellos sitios en algún lugar en el medio de la superficie libre, donde el CO reaccionaría fácilmente con otros átomos de O. Además, no es fácil para otros átomos de oxígeno llenar áreas vacías en la frontera, ya quelos átomos de oxígeno siempre vienen en pares, como O 2 moléculas. Por lo tanto, para llenar un sitio vacío, O 2 necesita dos sitios gratuitos uno al lado del otro, y no hay mucho espacio para esto en la frontera.
El límite donde el grano de paladio está en contacto directo con el soporte es, por lo tanto, de gran importancia estratégica, y exactamente en esta interfaz el soporte puede influir en las propiedades del grano de metal: "Cálculos de nuestros socios de cooperación de la Universidadde Barcelona muestran que el enlace entre los átomos metálicos del grano y la capa protectora de oxígeno se fortalece precisamente en el límite con el soporte ", dice el profesor Günther Rupprechter. Los átomos de paladio en contacto íntimo con el soporte oxídico pueden así unir el oxígenomás fuerte.
Se puede suponer que esto no importa para los sitios de metal lejos del borde del grano, porque el soporte solo puede influir energéticamente en los átomos en el borde, y estos son solo muy pocos, en comparación con el número total de átomosen el grano de paladio. Sin embargo, debido a que el envenenamiento por monóxido de carbono comienza en el borde, este efecto es de gran importancia estratégica. El borde de óxido de metal es de hecho el "punto débil" del grano, y si este punto débil se refuerza las propiedades catalíticas de los átomos metálicos en el borde se ven afectadas positivamente por el soporte, todo el grano del catalizador de tamaño micrométrico está protegido del envenenamiento por monóxido de carbono.
"Varios soportes de óxido ya se utilizan en catalizadores, pero su papel exacto durante la catálisis en términos de envenenamiento por CO aún no se ha observado directamente", dice el profesor Günther Rupprechter. "Con nuestros métodos, el proceso en curso y su onda largaefecto de rango se visualizó directamente por primera vez, y esto abre nuevas rutas prometedoras hacia catalizadores mejorados del futuro "
Este estudio fue financiado por la Austrian Science Foundation FWF en el marco del Programa de Investigación Especial SFB FOXSI y también fue un esfuerzo de colaboración con la Universitat de Barcelona España.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :