Partículas diminutas, grandes sorpresas: la complejidad inesperada de los catalizadores

Por Universidad Tecnológica de Viena 7 de junio de 2023

Catálisis bajo el microscopio. Los investigadores de TU Wien, utilizando técnicas de microscopía avanzadas, han descubierto complejidades intrincadas en el comportamiento del catalizador. El estudio encontró que factores como el tamaño de las partículas, la naturaleza del material de soporte, la temperatura y las presiones de los reactivos juegan un papel crucial en la actividad catalítica. El descubrimiento de una variación local significativa dentro de las partículas de catalizador individuales informará futuras investigaciones sobre procesos más complejos y el desarrollo de catalizadores mejorados. Crédito: Universidad Técnica de Viena

En TU Wien, los científicos utilizan técnicas de microscopía para observar las reacciones químicas en los catalizadores con mayor precisión que antes, lo que proporciona una gran cantidad de detalles. Esto dejó en claro por qué algunos efectos no se pueden predecir.

Los catalizadores compuestos por diminutas partículas metálicas desempeñan un papel importante en muchas áreas de la tecnología, desde las pilas de combustible hasta la producción de combustibles sintéticos para el almacenamiento de energía. Sin embargo, el comportamiento exacto de los catalizadores depende de muchos detalles finos y su interacción suele ser difícil de entender. Incluso cuando se prepara exactamente el mismo catalizador dos veces, a menudo ocurre que estos dos difieren en aspectos mínimos y, por lo tanto, se comportan químicamente de manera muy diferente.

En TU Wien, los científicos intentan identificar las razones de tales efectos mediante la obtención de imágenes de las reacciones catalíticas que tienen lugar en varios lugares de estos catalizadores, aplicando varias técnicas de microscopía diferentes. Tal enfoque produce una comprensión confiable y microscópicamente correcta de los procesos catalíticos.

Al hacerlo, parecía que incluso los sistemas catalíticos relativamente "simples" eran más complejos de lo esperado. Por ejemplo, no es solo el tamaño de las partículas metálicas empleadas o la naturaleza química del material de soporte lo que define las propiedades catalíticas. Incluso dentro de una sola partícula de metal, pueden prevalecer diferentes escenarios en la escala micrométrica. En combinación con simulaciones numéricas, el comportamiento de diferentes catalizadores podría explicarse y predecirse correctamente.

Se utilizaron nueve configuraciones de catalizador diferentes para convertir el hidrógeno y el oxígeno en agua. Crédito: Universidad Técnica de Viena

"Investigamos la combustión del posible futuro portador de energía hidrógeno con oxígeno, formando agua pura, mediante el uso de partículas de rodio como catalizadores", explica el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de TU Wien. Varios parámetros juegan un papel importante en este proceso: ¿Qué tamaño tienen las partículas individuales de rodio? ¿A qué material de soporte se unen? ¿A qué temperatura y a qué presión de los reactivos tiene lugar la reacción?

"El catalizador está hecho de partículas de rodio soportadas, pero no se comporta como un objeto uniforme que pueda describirse mediante unos pocos parámetros simples, como se intentó a menudo en el pasado", destaca Günther Rupprechter. "Pronto quedó claro que el comportamiento catalítico varía mucho en diferentes ubicaciones del catalizador. Un área determinada en una partícula de rodio determinada puede ser catalíticamente activa, mientras que otra, a solo micrómetros de distancia, puede ser catalíticamente inactiva. Y unos minutos más tarde, el la situación puede incluso haberse invertido".

Para los experimentos, el primer autor del estudio, que se publicó en la prestigiosa revista ACS Catalysis, el Dr. Philipp Winkler, preparó una impresionante muestra de catalizador, que comprende nueve catalizadores diferentes con partículas de metal de diferentes tamaños y diferentes materiales de soporte. Por lo tanto, en un aparato dedicado, todos los catalizadores podrían observarse y compararse simultáneamente en un solo experimento.

"Con nuestros microscopios, podemos determinar si el catalizador es catalíticamente activo, su composición química y propiedades electrónicas, y esto para todos y cada uno de los puntos individuales de la muestra", dice Philipp Winkler. "Por el contrario, los métodos tradicionales por lo general solo miden un valor promedio para toda la muestra. Sin embargo, como hemos demostrado, esto a menudo no es suficiente".

El análisis químico a escala microscópica ha demostrado que la composición del catalizador puede variar localmente incluso más de lo esperado: incluso dentro de las partículas metálicas individuales se observaron fuertes diferencias. "Los átomos del material de soporte pueden migrar hacia o en las partículas, o incluso formar aleaciones superficiales", afirma Günther Rupprechter. "En algún momento, ya no existe un límite claro, sino una transición continua entre la partícula del catalizador y el material de soporte. Es crucial considerar este hecho, porque también afecta la actividad química".

En el próximo paso, el equipo de TU Wien aplicará los conocimientos adquiridos y los métodos exitosos para abordar procesos catalíticos aún más complejos, en su misión continua de explicar los procesos a escala microscópica, contribuir al desarrollo de catalizadores mejorados y a búsqueda de nuevos catalizadores.

Referencia: "Interfaz de imagen y efectos del tamaño de partícula por microscopía correlativa in situ de una reacción catalítica" por Philipp Winkler, Maximilian Raab, Johannes Zeininger, Lea M. Rois, Yuri Suchorski, Michael Stöger-Pollach, Matteo Amati, Rahul Parmar, Luca Gregoratti y Günther Rupprechter, 23 de mayo de 2023, ACS Catalysis.DOI: 10.1021/acscatal.3c00060