Usando una de las fuentes de luz más brillantes del mundo para mirar dentro de algunas de las partículas más pequeñas del mundo, los científicos han confirmado una hipótesis de larga data: que el trastorno atómico o "defectos" en los bordes de las nanopartículas es lo que los hace efectivos como agentes de cambio químico.
El proceso mediante el cual un agente de cambio, o catalizador, acelera una reacción química es clave para la creación de muchos materiales esenciales para la vida diaria, como plásticos, combustibles y fertilizantes. Conocido como catálisis, este proceso es un pilar básico deindustria química, haciendo que las reacciones químicas sean más eficientes y menos exigentes de energía, y reduciendo o incluso eliminando el uso y la generación de sustancias peligrosas.
Aunque los catalizadores se han utilizado en la industria durante más de un siglo, los científicos aún no han observado cómo su estructura impacta su efectividad como agentes de cambio. Esto se debe a que los catalizadores son típicamente pequeñas nanopartículas metálicas hechas de metales preciosos como el platino, el paladio o el renio.La extrema pequeñez que hace que las nanopartículas sean catalizadores tan efectivos también dificulta ver cómo funcionan.
Si los científicos pudieran mirar dentro de las reacciones químicas de las nanopartículas individuales a un nivel nanoscópico, reunirían un tesoro de conocimiento útil para el diseño de catalizadores mejorados para abordar las necesidades energéticas urgentes del siglo XXI.
Ese tipo de conocimiento ahora puede estar al alcance de la mano, gracias a una nueva investigación publicada el 11 de enero en la revista Naturaleza . En el nuevo estudio, dirigido por el Dr. Elad Gross del Instituto de Química y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea de Jerusalén, y el Prof. F. Dean Toste de la Facultad de Química de la Universidad de California, Berkeley y la División de Ciencias Químicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley: los investigadores observaron directamente por primera vez cómo las nanopartículas metálicas, utilizadas como catalizadores en numerosos procesos industriales, activan procesos catalíticos.
Utilizando una fuente de luz un millón de veces más brillante que el sol, los investigadores pudieron observar la reactividad química en partículas de platino individuales similares a las utilizadas como catalizadores industriales. Lo que descubrieron es que la reactividad química ocurre principalmente en la periferia o los bordes de las partículas, mientras que una menor reactividad ocurre en el centro de las partículas.
La diferente reactividad observada en el centro y los bordes de las partículas de platino corresponde a las diferentes propiedades de los átomos de platino en las dos ubicaciones. Los átomos son en su mayoría planos en el centro, mientras que son ondulados y menos ordenados en los bordes.Esta estructura desordenada o "defectuosa" significa que los átomos de platino en los bordes no están totalmente rodeados por otros átomos de platino y, por lo tanto, formarán interacciones más fuertes con moléculas reactivas. Las interacciones más fuertes pueden activar las moléculas reactivas e iniciar una reacción química que transformará el reactivomolécula en un producto deseado.
Los resultados de la investigación validan una hipótesis bien conocida en el mundo de la catálisis, que correlaciona una alta reactividad catalítica con una alta densidad de defectos atómicos. También muestra, por primera vez, que la reactividad mejorada de los sitios defectuosos puede identificarse en elnivel de una sola partícula
"Nuestros resultados proporcionan información sobre las formas en que la estructura atómica de los catalizadores controla su reactividad. Este conocimiento puede dirigir el diseño de catalizadores mejorados que harán que el proceso químico sea más ecológico, al disminuir la cantidad de energía que se consume en el proceso yprevenir la formación de productos no deseados, potencialmente peligrosos ", dijo el Dr. Elad Gross, del Instituto de Química y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea de Jerusalén.
Para mirar en nanopartículas individuales, los investigadores enfocaron un haz infrarrojo brillante generado en una fuente sincrotrón Fuente de luz avanzada, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en una sonda delgada con un diámetro de vértice de 20 nanómetros. La sonda actúa como una antena, localiza elluz infrarroja en un rango específico, y por eso proporciona la capacidad de identificar moléculas que residen en la superficie de las nanopartículas catalíticas. Al escanear las partículas con la sonda nanométrica mientras está siendo irradiada por la luz infrarroja, los investigadores pudieronpara identificar las ubicaciones y condiciones en las que se produce una reacción química en la superficie de una sola partícula.
La Universidad Hebrea de Jerusalén es la principal institución académica y de investigación de Israel, que produce un tercio de toda la investigación civil en Israel. Para obtener más información, visite http://new.huji.ac.il/en .
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Materiales proporcionado por La Universidad Hebrea de Jerusalén . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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