Para algunos catalizadores cristalinos, lo que ves en la superficie no siempre es lo que obtienes a granel, según dos estudios dirigidos por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.
Los investigadores descubrieron que el tratamiento de un cristal de óxido complejo con calor o productos químicos causaba que diferentes átomos se segregaran en la superficie, es decir, la reconstrucción de la superficie. Esas diferencias crearon catalizadores con comportamientos diferentes, lo que alentó diferentes vías de reacción y finalmente produjo productos distintos.
Al usar tratamientos térmicos y químicos, los diseñadores de catalizadores pueden impulsar reacciones químicas de importancia industrial para mejorar los rendimientos de los productos deseados y reducir los productos no deseados para que los costos de separación posteriores a la reacción puedan reducirse significativamente.
"La superficie de un catalizador es un campo de juego para que las moléculas realicen la reacción química", dijo el químico de ORNL Zili Wu, autor principal de dos artículos recientes sobre el efecto de la composición atómica de una superficie de catalizador en la química ácido-base"Si puede ajustar su catalizador para obtener el producto deseado, es decir, lograr una alta selectividad, reducirá los productos secundarios. Entonces no necesitará tanto una separación química aguas abajo costosa y que requiere mucha energía".
Los investigadores examinaron cuatro catalizadores de perovskita, un cristal de óxido mixto hecho de células unitarias cúbicas de la composición atómica ABO3, con A como catión de metal de tierras raras ión cargado positivamente, B como catión de metal de transición y O comooxígeno.
El tratamiento de una perovskita con calor resultó en un catalizador con más átomos de A en su superficie, informaron científicos, incluidos los primeros coautores Guo Shiou Foo y Felipe Polo-Garzon catálisis ACS . El tratamiento de la misma perovskita con productos químicos en su lugar produjo más átomos de B en la superficie, los científicos, incluido el primer autor Polo-Garzon, informaron posteriormente Edición internacional Angewandte Chemie .
Los científicos fueron los primeros en estudiar sistemáticamente cómo las diferentes composiciones de superficie de perovskita afectan la catálisis ácido-base. El conocimiento adquirido podría proporcionar una ruta para la conversión selectiva de biomasa en productos químicos de valor agregado.
Para evaluar el rendimiento ácido-base de los catalizadores de perovskita tratados, los investigadores estudiaron una reacción modelo, la conversión de isopropanol, básicamente, alcohol isopropanol. Dependiendo de las condiciones de pretratamiento, la perovskita podría convertir selectivamente el alcohol en propileno., un bloque de construcción de plásticos, a través de una reacción de deshidratación, o acetona, un solvente industrial, a través de una reacción de deshidrogenación.
"El isopropanol se adapta a la superficie de su catalizador", explicó Wu. "Si tiene una superficie básica una superficie dominada por AOx, realizará la reacción catalizada por la base a la acetona. Si tiene una superficie ácida unSuperficie dominada por BOx, se adapta a esa ruta al propileno. Por lo tanto, el isopropanol es una buena molécula de sonda que le indica la composición de la superficie del catalizador ".
Los experimentos mostraron que era posible un amplio rango de sintonización con diferentes tratamientos. El mismo material de partida de perovskita, sujeto a diferentes tratamientos, podría producir un producto deseado, como acetona o propileno, en un amplio rango, del 25 al 90 por ciento.
En los experimentos que Wu concibió, Foo y Polo-Garzon utilizaron la difracción de rayos X para caracterizar la mayor parte de un catalizador y numerosas técnicas para caracterizar su superficie. Para saber si el elemento A o B predominaba en la superficie de perovskita si el catalizador estaba sujeto aPretratamientos térmicos o químicos, Shi-Ze Yang, supervisado por Matthew Chisholm, realizó microscopía electrónica de transmisión de nanopartículas de catalizador, mientras que Foo usó microcalorimetría de adsorción y espectroscopía infrarroja. La dispersión de iones de baja energía, realizada en la Universidad de Lehigh, disparó un ion a una nanopartícula, y la energía perdida cuando el ion se recuperó reveló detalles de composición de la capa superficial superior, lo cual es crítico para la catálisis. Las lecciones aprendidas sobre la composición de la superficie de todos estos experimentos ayudaron a Victor Fung y De-en Jiang en los cálculos basados en la teoría para predecirvías de reacción: Polo-Garzon y Elizabeth Bickel, una estudiante de verano de la Universidad Tecnológica de Tennessee, realizaron mediciones quereafirmó el impacto de la segregación de la superficie en las propiedades catalíticas ácido-base del material de perovskita.
¿Qué sigue? Los investigadores desean explorar más a fondo los procesos de reconstrucción de las superficies de catalizadores de perovskita con diferentes facetas de terminación. "La geometría y la composición del catión y el anión [ión cargado negativamente] se organizan de manera diferente cuando se tienen diferentes facetas", Wuexplicó: "Eso puede darle una reactividad química bastante diferente". Además, los investigadores actualmente están expandiendo su trabajo para ajustar las terminaciones superficiales de las perovskitas para comprender y optimizar las reacciones de oxidación y reducción más allá de las ácido-base, que podrían usarse en elconversión de gas de esquisto principalmente metano en productos químicos valiosos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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