Un equipo de investigación de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Twin Cities de la Universidad de Minnesota y la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston ha identificado y medido con éxito la fracción de un electrón implicada en la producción catalítica.
Sus hallazgos fueron publicados en una revista de acceso abierto. Ciencia Central ACSExplique por qué los metales preciosos como el oro, la plata y el platino destacan en los procesos catalíticos. Los resultados también apuntan a nuevas posibilidades para diseñar materiales catalíticos mejorados.
Por qué los catalizadores son importantes en la industria moderna
Los catalizadores industriales (sustancias que reducen la cantidad de energía necesaria para una reacción química determinada) ayudan a los fabricantes a aumentar la velocidad, el rendimiento o la eficiencia de la reacción al producir ingredientes clave. Desempeñan un papel fundamental en todo, desde productos farmacéuticos y baterías hasta operaciones petroquímicas como la refinación de petróleo crudo, lo que permite que los sistemas de fabricación satisfagan la demanda global.
Mejorar la velocidad, la confiabilidad y el control de los catalizadores se ha convertido en un objetivo importante para los vastos sectores de combustibles, productos químicos y materiales. A medida que estas industrias se expanden, la carrera por desarrollar sistemas catalíticos más eficientes y de menor costo se ha intensificado en todo el mundo.
Descubriendo cómo las moléculas comparten electrones con los metales
Cuando las moléculas encuentran una superficie catalítica, intercambian algunos de sus electrones con el metal (en este caso, oro, plata o platino). Esta interacción estabiliza temporalmente las moléculas, permitiendo que continúen las reacciones. Los científicos han sospechado este comportamiento durante más de 100 años, pero las pequeñas fracciones de un electrón involucradas nunca han sido medidas directamente.
Investigadores del Centro de Catálisis de Energía Programable, con sede en la Universidad de Minnesota, han demostrado ahora que este intercambio de electrones se puede medir directamente utilizando una técnica que desarrollaron llamada valoración de electrones isopotenciales (IET).
Una visión clara del comportamiento catalítico
“Medir la fracción de un electrón a esta escala increíblemente pequeña proporciona la visión más clara hasta ahora del comportamiento de las moléculas en un catalizador”, dijo Justin Hopkins, Ph.D. en ingeniería química en la Universidad de Minnesota. estudiante y autor principal del estudio de investigación. “Históricamente, los ingenieros de catalizadores se han basado en mediciones más indirectas en condiciones idealizadas para comprender las moléculas de la superficie. En cambio, este nuevo método de medición proporciona una descripción realista de la unión de la superficie en condiciones catalíticamente relevantes”.
Saber exactamente cuánta transferencia de electrones se produce en la superficie de un catalizador es esencial para comprender con qué eficacia funcionará. Las moléculas que comparten sus electrones más fácilmente se unen más estrechamente y reaccionan más fácilmente. Los metales preciosos alcanzan el nivel ideal de intercambio de electrones necesario para impulsar reacciones catalíticas, aunque hasta ahora no se ha captado directamente la escala precisa de este intercambio.
IET como nueva herramienta para el descubrimiento de catalizadores
La técnica IET ahora se puede utilizar para caracterizar y comparar directamente nuevas formulaciones de catalizadores, lo que ayuda a los investigadores a identificar materiales prometedores más rápidamente.
“IET nos permitió medir la fracción de un electrón que se comparte con la superficie de un catalizador a un nivel de menos del uno por ciento, como un átomo de hidrógeno en platino”, dijo Omar Abdelrahman, autor correspondiente y William A. de la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston. William A. del Departamento de Ingeniería de Brookshire. Profesor asociado de ingeniería de Brookshire “Un átomo de hidrógeno cede sólo el 0,2% de un electrón cuando se une a catalizadores de platino, pero es ese pequeño porcentaje el que hace posible reaccionar con el hidrógeno en la producción química industrial”.
Conectando nanotecnología, aprendizaje automático y catálisis
El rápido crecimiento de las técnicas de nanotecnología para fabricar catalizadores, combinadas con herramientas de aprendizaje automático que pueden buscar y analizar enormes conjuntos de datos, ha ampliado el catálogo de materiales catalíticos ya conocidos. IET proporciona un tercer enfoque complementario al permitir a los investigadores examinar el comportamiento catalítico directamente en el nivel electrónico fundamental.
“La base de las nuevas tecnologías catalíticas para la industria siempre ha sido la investigación básica”, afirmó Paul Downhauer, profesor distinguido y director del Centro de Catálisis de Energía Programable de la Universidad de Minnesota. “Este nuevo descubrimiento de la distribución fraccionaria de electrones sienta una base científica completamente nueva para comprender la catálisis, que creemos impulsará nuevas tecnologías energéticas en las próximas décadas”.
Parte de una iniciativa nacional más amplia
Este descubrimiento respalda la misión más amplia del Centro de Investigación de Fronteras Energéticas para Catálisis de Energía Programable del Departamento de Energía de EE. UU. Desde su lanzamiento en 2022, el centro ha trabajado para desarrollar tecnologías catalíticas de próxima generación destinadas a producir materiales, productos químicos y combustibles a través de sistemas catalíticos dinámicos avanzados.
