La producción de más del 90 por ciento de todos los productos químicos que utilizamos en nuestra vida diaria depende de catalizadores. Los catalizadores aceleran las reacciones químicas, pueden reducir la energía necesaria para estos procesos y, en algunos casos, la reacción no ocurriría en absoluto sin el catalizador. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) han desarrollado un concepto que aumenta la estabilidad de los catalizadores de metales nobles y requiere menos metal noble para su producción.
El objetivo: la mejor eficiencia catalítica posible
Los catalizadores de metales nobles se utilizan en muchos procesos de la industria química. Reducir la cantidad de metales preciosos necesarios para su producción es una contribución importante al uso sostenible de los recursos. “Nuestro enfoque mejorará significativamente la estabilidad del catalizador y garantizará la formación de grupos activos de metales nobles, incluso en casos en los que se utilicen metales menos nobles”. es el autor principal del estudio. Para lograr el mejor rendimiento catalítico posible utilizando la menor cantidad posible de metales nobles, los investigadores del ITCP investigaron átomo por átomo los catalizadores soportados más utilizados. En estos catalizadores soportados, el material donde tiene lugar la reacción está finamente distribuido sobre el soporte en forma de pequeñas nanopartículas. Estos grupos son dinámicos y cambian su estructura dependiendo de las condiciones de reacción. Pueden agregarse y crecer hasta convertirse en partículas más grandes, de modo que haya menos átomos superficiales disponibles para la reacción. Sin embargo, también pueden descomponerse en átomos individuales que por sí solos son ineficaces. Ambos fenómenos reducen la eficiencia catalítica. Un concepto novedoso desarrollado por ITCP Research resuelve este problema explotando las diferentes interacciones de los metales nobles con diferentes materiales de soporte.
Material de soporte de nuevo diseño: los átomos de metales nobles se agregan para formar “islas” de ceria.
“Los metales nobles, como el paladio, se unen fuertemente a la ceria, pero apenas interactúan con el óxido de aluminio”, explica Gushnikova. “Por eso aplicamos paladio a las pequeñas ‘nanoislas’ de ceria, lo que dio como resultado óxido de aluminio finamente dividido”, afirman los científicos. La optimización del material de soporte garantiza que los átomos de metales nobles formen sitios preferentemente en islas de ceria. La distancia entre las islas, por un lado, y la limitada movilidad del paladio unido a la ceria, por otro, impiden tanto la formación de cúmulos muy grandes como la desintegración del paladio en átomos individuales. El tamaño de los grupos de metales nobles está definido por el número de átomos de metales nobles en las islas de ceria individuales. “Nuestro sueño es caminar sobre una delgada línea a lo largo de la vida de un catalizador y, si es posible, estabilizar pequeñas partículas de sólo diez a 50 átomos”, afirma el profesor Jan-Derek Grunewald, miembro del equipo directivo del ITCP y portavoz. Centro de Investigación Cooperativa (CRC) 1441, “TrackAct”.
Centro de Investigación Colaborativa 1441 “TrackAct”
En el CRC 1441, “TrackAct”, financiado por la Fundación Alemana de Investigación, más de 20 grupos de investigación interdisciplinarios trabajan para comprender mejor los procesos catalíticos fundamentales. El concepto desarrollado en ITCP es uno de los resultados clave del CRC lanzado en 2021, donde KIT está realizando investigaciones en colaboración con TU Munich y Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. “Una comprensión fundamental de la estructura y el mecanismo de los catalizadores nos proporcionará una especie de caja de herramientas para diseñar catalizadores eficientes y basados en el conocimiento para cada proceso individual”, afirma el Dr. Florian Maurer, coordinador de “TrackAct”. y coautor del estudio.
