Los defectos y las superficies irregulares en los bordes de las partículas de platino y oro de tamaño nanométrico son puntos clave para la reactividad química, confirmó un equipo de investigadores que trabajan en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab y la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israelcon una sonda infrarroja única.
Experimentos como este deberían ayudar a los investigadores a personalizar las propiedades estructurales de los catalizadores para hacerlos más efectivos en el fomento de reacciones químicas.
El estudio, publicado el 11 de enero en Naturaleza , es un paso importante en la crónica de cómo la estructura atómica de las nanopartículas impacta su función como catalizadores en reacciones químicas. Los catalizadores, que juegan un papel en la producción de muchos productos industriales, como fertilizantes, combustibles y plásticos, son materiales quepuede acelerar las reacciones químicas y hacerlas más eficientes mientras permanece sin cambios en el proceso.
Los científicos han sabido que los materiales pueden comportarse de manera diferente a nanoescala que en grandes cantidades, y que personalizar su tamaño y forma puede mejorar sus propiedades para usos específicos. Esta nueva técnica identificó las áreas en partículas metálicas individuales, que miden aproximadamente100 nanómetros 100 billonésimas de metro: son los más activos en las reacciones químicas.
Los investigadores combinaron un amplio espectro de luz infrarroja, producida por Advanced Light Source ALS de Berkeley Lab, con un microscopio de fuerza atómica para revelar diferentes niveles de reactividad química en los bordes de nanopartículas de platino y oro individuales en comparación con sus superficies lisas y planas.
Utilizaron una capacidad única en ALS, denominada SINS para nanoespectroscopía infrarroja basada en radiación sincrotrón, para explorar la química detallada que ocurre en la superficie de las partículas, y lograron una resolución de hasta 25 nanómetros.
"Le permite ver toda esta interacción en química", dijo Michael Martin, un científico sénior a cargo de líneas de rayos infrarrojos en la ALS. "Eso es lo que hace que esto sea especial".
Hans Bechtel, un científico investigador en Berkeley Lab que trabaja en las líneas de rayos infrarrojos de ALS, agregó: "Al mismo tiempo se pueden ver los reactivos y los productos formados en las reacciones".
En el experimento, los investigadores recubrieron las partículas metálicas con una capa de moléculas reactivas y enfocaron la luz infrarroja producida por ALS en la punta diminuta 25 nanómetros de diámetro del microscopio de fuerza atómica.
La punta del microscopio, cuando se combinó con la luz infrarroja altamente enfocada, funcionó como una antena extremadamente sensible para mapear la estructura de la superficie de las nanopartículas individuales y al mismo tiempo revelar su química de superficie detallada.
"Pudimos ver la huella digital exacta de las moléculas en la superficie de las partículas y validar una hipótesis bien conocida en el campo de la catálisis", dijo Elad Gross, miembro de la facultad del Instituto de Química y el Centro de Nanocienciay Nanotecnología en la Universidad Hebrea de Jerusalén, que dirigió el estudio junto con F. Dean Toste, científico de la facultad en la División de Ciencias Químicas en Berkeley Lab y profesor en el Departamento de Química de UC Berkeley.
Conocer el nivel preciso de energía que se necesita para desencadenar reacciones químicas la energía de activación es clave para optimizar las reacciones y puede reducir los costos a escala industrial al conservar el uso de energía.
"Esta técnica tiene la capacidad de decirle no solo dónde y cuándo ocurrió una reacción, sino también determinar la energía de activación para la reacción en diferentes sitios", dijo Gross. "Lo que tiene aquí es una herramienta que puede abordar aspectos fundamentalespreguntas en la investigación de catálisis. Mostramos que las áreas que son altamente defectuosas a nivel atómico son más activas que las superficies lisas ".
Esta característica se relaciona con el pequeño tamaño de las partículas, señaló Gross. "A medida que disminuye el tamaño de las partículas, la estructura es menos uniforme y tiene más defectos", dijo.
Las partículas más pequeñas tienen mayor área de superficie por partícula que las partículas más grandes, lo que significa que se ubicarán más átomos en los bordes. Los átomos en los bordes de las partículas tienen menos vecinos que aquellos a lo largo de sus superficies lisas, y menos vecinos significa más libertad paraparticipar en química con otros elementos.
Como las reacciones químicas estudiadas ocurren muy rápidamente, en menos de un segundo, y la técnica de ALS puede tomar alrededor de 20 minutos para escanear un solo punto en una partícula, los investigadores usaron una capa de moléculas químicamente activas, que se unierona la superficie de la partícula, como marcadores para la reactividad catalítica.
La reacción catalítica en el estudio fue análoga a lo que ocurre en los convertidores catalíticos de vehículos que funcionan con gasolina. Los convertidores catalíticos usan partículas de platino y otros materiales para convertir el escape del automóvil en emisiones menos tóxicas.
Los experimentos futuros planeados usando la técnica SINS se centrarán en documentar procesos químicos activos que usan flujos controlados de gases o líquidos para desencadenar reacciones, dijeron los investigadores, y los experimentos futuros pueden usar diferentes presiones y temperaturas para medir los efectos.
"Creo que esta será una herramienta muy interesante para futuros experimentos y análisis que pueden responder a muchas preguntas que antes no se podían responder", dijo Gross. "Esta herramienta nos brinda la capacidad de obtener una mejor resolución altres órdenes de magnitud que algunas otras técnicas, lo que ha abierto un campo muy amplio para la catálisis y los estudios de química de superficie ".
Los estudios futuros también podrían combinar métodos basados en rayos infrarrojos y rayos X en el ALS para recopilar información química más rica, dijeron los investigadores. Ya hay planes para una nueva línea de rayos infrarrojos en el ALS que aumentará la capacidad y las capacidades para el infrarrojoestudios químicos y también lanzan estudios estructurales 3-D basados en infrarrojos en el ALS.
El ALS es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias de la Energía Básica del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Glenn Roberts Jr .. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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