El ochenta por ciento de todos los productos de la industria química se fabrican con procesos catalíticos. La catálisis también es indispensable en la conversión de energía y el tratamiento de los gases de escape. Es importante que estos procesos funcionen de la manera más rápida y eficiente posible; eso protege el medio ambiente mientrastambién ahorrando tiempo y conservando recursos. La industria siempre está probando nuevas sustancias y disposiciones que podrían conducir a nuevos y mejores procesos catalíticos. Los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI en Villigen y ETH Zurich han desarrollado un método para mejorar la precisión de tales experimentos,lo que puede acelerar la búsqueda de soluciones óptimas. Al mismo tiempo, su método les ha permitido resolver una controversia científica de más de 50 años. Describen su enfoque en la revista Nature.
Con un nuevo proceso, los científicos suizos están facilitando que la industria química investigue y optimice los procesos catalíticos: "Hemos encontrado una manera de construir sistemas de modelos catalíticos, es decir, configuraciones experimentales, precisas a un nanómetroy luego rastrear las reacciones químicas de nanopartículas individuales ", dice Waiz Karim, quien está afiliado tanto al Laboratorio de Micro y Nanotecnología en el PSI como al Instituto de Química y Bioingeniería en ETH Zurich". Esto permite optimizar selectivamenteeficiencia de los procesos catalíticos "
La catálisis es un proceso fundamental en química: las reacciones de sustancias se desencadenan o aceleran mediante la presencia de un catalizador. Desempeña un papel importante en la fabricación de materiales sintéticos, ácidos y otros productos químicos, en el tratamiento de gases de escape,y en el almacenamiento de energía ver Antecedentes. Por esta razón, la industria tiene un gran interés en optimizar los procesos catalíticos. "Para hacer eso, necesita una comprensión más profunda de lo que está sucediendo a nivel molecular", dice Jeroen van Bokhoven,jefe del Laboratorio de Catálisis y Química Sostenible en el PSI y profesor de Catálisis Heterogénea en ETH Zurich, quien dirigió el estudio.
Modelo de experimento con precisión sin precedentes
Esta comprensión más profunda se puede obtener a través del nuevo enfoque: los investigadores construyeron un sistema modelo que les permite estudiar la catálisis en el más mínimo detalle. Los experimentos se llevaron a cabo principalmente en el PSI, y la base teórica se desarrolló en ETHZurich. Para el experimento modelo, el equipo de Karim y van Bokhoven utilizó óxido de hierro, que se convirtió en hierro mediante la adición de hidrógeno y con la ayuda del catalizador de platino. El platino divide el hidrógeno molecular H2 en hidrógeno elemental H, que puede reaccionar más fácilmente con óxido de hierro.
La atracción principal de su modelo: con la litografía de haz de electrones de última generación, utilizada de otra manera principalmente en tecnología de semiconductores, los investigadores pudieron colocar partículas minúsculas, que consisten en unos pocos átomos cada una, en un soporte.El tamaño de las partículas de óxido de hierro era de solo 60 nanómetros, y las partículas de platino eran incluso más pequeñas a 30 nanómetros, aproximadamente dos milésimas del diámetro de un cabello humano. Los investigadores colocaron estas partículas en pares en un modelo tipo rejilla en15 distancias diferentes entre sí: en el primer segmento de la cuadrícula, la partícula de platino se encontraba precisamente encima de la partícula de óxido de hierro, y en el 15º segmento, las partículas estaban separadas por 45 nanómetros. En un segmento 16, el óxido de hierro estaba completamente solo"Así pudimos probar 16 situaciones diferentes a la vez y controlar el tamaño y el espaciado de las partículas con una precisión de un nanómetro", explica Karim. Luego vaporizaron el modelo con hidrógeno y observaron lo que sucedió.
Para esta observación en el dominio molecular, el equipo, en un proyecto anterior, empleó un método llamado "espectromicroscopía de partículas individuales" para analizar partículas diminutas por medio de rayos X. Los instrumentos necesarios para hacerlo están disponibles en SuizaFuente de luz SLS del PSI, una instalación de investigación a gran escala que genera luz de rayos X de alta calidad. No solo la precisión del posicionamiento de partículas es nueva, sino la observación correspondientemente precisa de reacciones químicas, incluida la observación simultánea de muchas partículas.en diferentes situaciones, no había sido posible antes: "En estudios previos, la colocación de las nanopartículas de dos materiales diferentes podría estar apagada hasta en 30 nanómetros", explica Karim.
Derrame de hidrógeno dependiente de la distancia
Sin embargo, resultó que algunos fenómenos químicos tienen lugar a una escala aún menor. Uno de ellos es el llamado efecto de derrame de hidrógeno, que los investigadores de PSI y ETH examinaron con su nuevo modelo.
Este efecto contribuye decisivamente a la eficiencia de la catálisis con hidrógeno. Fue descubierto en 1964, pero hasta ahora no podía entenderse ni visualizarse en detalle. Como resultado, las circunstancias bajo las cuales realmente ocurre siguen siendo controvertidas.
El equipo de Karim y van Bokhoven logró analizarlo por primera vez con la precisión necesaria: las moléculas de hidrógeno se dividen tan pronto como se encuentran con la partícula de platino, y luego el hidrógeno elemental fluye por los lados hacia el material de soporte. Luegose extienden por todas partes, de la misma forma en que el agua sale de un manantial. Los átomos de hidrógeno se encuentran con las partículas de óxido de hierro y las "reducen" a hierro, como lo expresaron los investigadores. "Pudimos demostrar que hasta dónde fluye el hidrógeno depende deel material de soporte ", informa Karim. Cuanto más fluye, más puede contribuir el derrame a la catálisis. Si el soporte consiste en óxido de aluminio, por ejemplo, que no puede reducirse, el hidrógeno fluye no más de 15 nanómetros. Conel óxido de titanio reducible, por el contrario, fluye por toda la superficie. "Claramente, para algunos materiales de soporte es importante cuán firmemente se asientan las partículas sobre ellos".
Avanzando la ciencia química
Así, con su nuevo proceso de nanotecnología, los investigadores de PSI y ETH han aclarado las circunstancias del efecto de derrame de hidrógeno. "Nuestro método se basa en tres pilares", dice Jeroen van Bokhoven, "la nanofabricación del sistema modelo, la medición precisade las reacciones químicas, y por último, pero no menos importante, el modelo teórico: de acuerdo con los experimentos, pudimos describir el proceso hasta el nivel molecular ". Esto, sugiere, podría permitir enormes avances en la ciencia química en general:" Con estoestamos abriendo una nueva dimensión para la investigación y la comprensión de los procesos catalíticos. Y con esta comprensión, los procesos de producción industrial pueden optimizarse de una manera mucho más específica ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer PSI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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