Desde hacer pan hasta convertir materias primas en combustible de manera más eficiente, los catalizadores hacen una serie de cosas sorprendentes para ayudar en la vida cotidiana. Ahora, los investigadores de SLAC han desarrollado una forma de acelerar el proceso de descubrimiento de una nueva clase de materiales de soporte llamados catalizadores de un solo átomo.
Durante décadas, los catalizadores han sido los héroes anónimos de la vida cotidiana. Estos caballos de batalla convierten las materias primas en un producto o combustible con menos energía, como la levadura en la fabricación de pan y catalizadores artificiales para convertir materias primas en combustible de manera más eficiente y sostenible. Ha surgido una clase prometedora de estos catalizadores, llamados catalizadores de un solo átomo, y los investigadores necesitan nuevos métodos para comprenderlos mejor. Más específicamente, quieren saber cómo la estructura de los sitios donde tiene lugar una reacción química, llamados sitios activos, afecta la capacidad de un catalizador para acelerar la velocidad de una reacción química, llamada actividad.
En un importante paso adelante, investigadores de la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford (SSRL) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, junto con un equipo de la Universidad de California, Davis (UC Davis), han desarrollado una nueva herramienta de software que proporciona puede hacer Más detalles cuantitativos sobre la estructura de los sitios activos en catalizadores de un solo átomo en mucho menos tiempo que los métodos actuales. Los resultados fueron publicados. Métodos de química.
Normalmente, un catalizador utiliza un soporte inerte para estabilizar grupos de átomos metálicos o nanopartículas metálicas de tamaño nanométrico. Durante la catálisis, sólo los átomos de la superficie actúan como sitios activos, dejando sin uso los átomos del interior de la nanopartícula. Para maximizar el uso de cada átomo de metal, a los investigadores se les ocurrió una idea prometedora: los catalizadores de un solo átomo, en los que los átomos de metal individuales se dispersan sobre un soporte.
Al diseñar y desarrollar estos catalizadores, los investigadores deben comprender la estructura de los sitios activos para poder correlacionarlos con la actividad. Para aprender más sobre la estructura, el equipo utilizó átomos de platino individuales inmovilizados sobre soportes de óxido de magnesio como caso de estudio para catalizadores de un solo átomo similares. La autora principal del estudio, Rachita Rana, que recientemente recibió su doctorado en UC Davis, utilizó una técnica llamada espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS), que analiza los átomos en el sitio activo, como el número y la distancia de. átomos vecinos. Repasemos. En cambio, Rana propuso automatizar el proceso de análisis combinando cálculos teóricos, llamados teoría funcional de la densidad, y EXAFS. Una versión anterior del software, QuantEXAFS, determinó la estructura de un tipo de átomo, en este caso los átomos de platino.
En realidad, los catalizadores suelen contener tanto átomos individuales como nanopartículas. Basándose en QuantEXAFS, Rana amplió las capacidades del código para determinar partes de estos dos formularios, proporcionando información más específica sobre la estructura. “MS-QuantEXAFS no sólo ayuda a identificar sitios activos, sino que también cuantifica el porcentaje de un sitio específico y automatiza todo el proceso de análisis de datos”, dijo. “Si haces esto manualmente, normalmente te puede llevar desde unos días hasta meses. Con MS-QuantEXAFS, potencialmente puedes hacer este análisis durante la noche en una computadora local”.
Luego, al equipo le gustaría desarrollar y lanzar MS QuantEXAFS a la comunidad científica. “Esta herramienta tiene mucho que ofrecer a los investigadores de catálisis”, coincide el coautor de SSRL y distinguido científico, Simon R. Beer, y añade que planea incorporarla en las clases de formación, especialmente para la próxima generación de estudiantes.
La Oficina de Ciencias del DOE apoyó esta investigación. SSRL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
