Miles de millones de catalizadores de metales nobles se utilizan en todo el mundo para la producción de productos químicos, la generación de energía o la limpieza del aire. Sin embargo, los recursos necesarios para este propósito son costosos y su disponibilidad es limitada. Para optimizar el uso de recursos, los catalizadores basados enSe han desarrollado átomos de un solo metal. Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Karlsruhe KIT demostró que los átomos de metales nobles pueden ensamblarse para formar grupos bajo ciertas condiciones. Estos grupos son más reactivos que los átomos individuales y, por lo tanto, los gases de escape pueden ser muchomejor eliminado. Los resultados se informan en Catálisis de la naturaleza .
Los catalizadores de metales nobles se utilizan para una amplia gama de reacciones. Entre otros, se aplican en casi todos los procesos de combustión para reducir las emisiones contaminantes. A menudo, consisten en partículas muy pequeñas del componente activo, como un metal noble, quese aplican a un material portador. Estas denominadas nanopartículas están compuestas por varios miles de átomos metálicos. "Pero solo los átomos del exterior están activos en la reacción, mientras que la mayoría de los átomos no se utilizan", explica el profesor Jan-Dierk Grunwaldt del Instituto KITpara Tecnología Química y Química de Polímeros ITCP. Al cambiar las condiciones de operación, la estructura de dicho catalizador y, por lo tanto, su actividad puede cambiar. "A altas temperaturas en el sistema de gases de escape de un automóvil, que se alcanzan durante un período más largoconducir en una autopista, por ejemplo, la interacción entre el metal noble y el portador puede conducir a la formación de átomos individuales, es decir, átomos metálicos separados y aislados en el portador ", dice Grunwaldt." Tales catalizadores de un solo átomopodría esperarse que alcance una tasa de utilización muy alta de los componentes de metales nobles, porque todos los átomos pueden participar teóricamente en la reacción ". Contrariamente a esta expectativa, sin embargo, el equipo de Grunwaldt, en cooperación con los profesores Christof Wöll del Instituto de FuncionalidadInterfaces de KIT y Felix Studt del Instituto de Investigación y Tecnología de Catálisis de KIT, ha descubierto que estos átomos primero deben formar grupos de metales nobles en condiciones de reacción para activarse.
Los investigadores indujeron específicamente la formación de átomos individuales y examinaron su estructura a fondo durante la reacción. Con la ayuda de espectroscopía altamente especializada y cálculos teóricos, que se utilizaron por primera vez para esta clase de catalizadores, el equipo logró explicarpor qué los átomos de platino con frecuencia tienen una actividad baja ". Para convertir los contaminantes, generalmente tienen que reaccionar con el oxígeno en el catalizador. Para esto, ambos componentes deben estar disponibles al mismo tiempo y en el mismo lugar, lo que no se puede lograr para los átomos de platino aislados, comoel oxígeno para la reacción requerida está demasiado unido al componente portador, en nuestro caso, el óxido de cerio ", dice Florian Maurer de ITCP, uno de los autores principales del estudio." Después de romper los enlaces platino-óxido de cerio, el platinolos átomos pueden moverse a través de la superficie del portador. En el siguiente paso, estos átomos de platino forman pequeños grupos de platino, en los que la reacción tiene lugar mucho más rápido que en átomos individuales ".
Los clústeres tienen una estructura óptima para una alta actividad
Los estudios del equipo demuestran que ni las nanopartículas ni los átomos aislados alcanzan la máxima actividad. "El óptimo se encuentra en el medio. Se alcanza mediante pequeños grupos de metales nobles", dice Grunwaldt. "Estabilizar estos grupos de metales nobles podría ser la clave para reducir sustancialmenteel consumo de metales nobles al producir catalizadores. Durante años, la distribución cada vez más fina del componente de metal noble ha sido una de las principales estrategias en el diseño de nuevos catalizadores. Nuestros experimentos han revelado ahora los límites en el rango atómico ". Los resultados del estudioahora se utilizará para el diseño basado en el conocimiento y el desarrollo de catalizadores de mayor estabilidad y actividad a largo plazo. Este será un enfoque principal del trabajo del Centro de Gases de Escape de Karlsruhe de KIT, cuya Directora Científica, Dra. Maria Casapu, escoautor del estudio.
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Materiales proporcionado por Karlsruher Institut für Technologie KIT . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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