Dos fenómenos físicos clave tienen lugar en las superficies de los materiales: catálisis y humectación. Un catalizador mejora la velocidad de las reacciones químicas; la humectación se refiere a la forma en que los líquidos se propagan a través de una superficie.
Ahora los investigadores del MIT y otras instituciones han descubierto que estos dos procesos, que se consideraron no relacionados, de hecho están estrechamente relacionados. El descubrimiento podría facilitar la búsqueda de nuevos catalizadores para aplicaciones particulares, entre otros beneficios potenciales.
"Lo que es realmente emocionante es que hemos podido conectar interacciones a nivel atómico de agua y óxidos en la superficie con mediciones macroscópicas de humectación, ya sea que una superficie sea hidrófoba o hidrófila, y conectar eso directamente con propiedades catalíticas", diceYang Shao-Horn, el Profesor de Energía WM Keck en el MIT y autor principal de un artículo que describe los hallazgos en el Revista de Química Física C . La investigación se centró en una clase de óxidos llamados perovskitas que son de interés para aplicaciones como detección de gases, purificación de agua, baterías y pilas de combustible.
Dado que determinar la humectabilidad de una superficie es "trivialmente fácil", dice el autor principal Kripa Varanasi, profesor asociado de ingeniería mecánica, esa determinación ahora se puede usar para predecir la idoneidad de un material como catalizador. Dado que los investigadores tienden a especializarse en humectabilidad ocatálisis, esto produce un marco para que los investigadores en ambos campos trabajen juntos para avanzar en la comprensión, dice Varanasi, cuya investigación se centra principalmente en la humectabilidad; Shao-Horn es un experto en reacciones catalíticas.
"Mostramos cómo la humectación y la catálisis, ambos fenómenos superficiales, están relacionados", dice Varanasi, "y cómo la estructura electrónica forma un vínculo entre ambos".
Si bien ambos efectos son importantes en una variedad de procesos industriales y han sido objeto de mucha investigación empírica, "a nivel molecular, entendemos muy poco sobre lo que está sucediendo en la interfaz", dice Shao-Horn. "dar un paso adelante, proporcionando una comprensión a nivel molecular "
"Es principalmente una técnica experimental" que hizo posible la nueva comprensión, explica Kelsey Stoerzinger, un estudiante graduado del MIT y autor principal del artículo. Si bien la mayoría de los intentos de estudiar tales ciencias de la superficie utilizan instrumentos que requieren vacío, este equipo utilizó un dispositivo quepodría estudiar las reacciones en aire húmedo, a temperatura ambiente y con diversos grados de vapor de agua presente. Los experimentos que utilizan este sistema, llamado espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiente, revelaron que la reactividad con el agua es clave para todo el proceso, dice ella..
Las moléculas de agua se separan para formar grupos hidroxilo, un átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno, unido a la superficie del material. Estos compuestos reactivos, a su vez, son responsables de aumentar las propiedades humectantes de la superficie, mientras queinhibiendo simultáneamente su capacidad de catalizar reacciones químicas. Por lo tanto, para aplicaciones que requieren una alta actividad catalítica, el equipo encontró que un requisito clave es que la superficie sea hidrófoba o no humectante.
"Idealmente, esta comprensión nos ayuda a diseñar nuevos catalizadores", dice Stoerzinger. Si un material dado "tiene una menor afinidad por el agua, tiene una mayor afinidad por la actividad catalítica".
Shao-Horn señala que este es un hallazgo inicial, y que "la extensión de estas tendencias a clases más amplias de materiales y rangos de afinidad por hidroxilo requiere más investigación". El equipo ya ha comenzado a explorar más estas áreas. Esta investigación, elladice, "abre el espacio de materiales y superficies en los que podríamos pensar" tanto para catálisis como para humectación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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