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Visión sin precedentes de una única nanopartícula catalizadora en acción

El análisis de rayos X proporcionó una imagen 3D completa de una nanopartícula de catalizador individual y reveló cambios en su tensión superficial y composición química superficial durante diferentes modos de operación. Crédito: Laboratorio de comunicación científica para DESY

Un equipo de investigación dirigido por DESY ha estado utilizando rayos X de alta intensidad para observar una sola nanopartícula catalizadora en funcionamiento. El experimento reveló por primera vez cómo la composición química de la superficie de una nanopartícula individual cambia bajo las condiciones de reacción, haciéndola más activa. El equipo DESY dirigido por Andreas Stierle presenta sus hallazgos en la revista Avances en la ciencia. Este estudio marca un paso importante hacia una mejor comprensión de los materiales catalíticos industriales reales.


Los catalizadores son materiales que promueven reacciones químicas sin consumirse. Hoy en día, los catalizadores se utilizan en diversos procesos industriales, desde la producción de fertilizantes hasta la fabricación de plásticos. Por tanto, los catalizadores son de gran importancia económica. Un ejemplo bien conocido es el convertidor catalítico instalado en los escapes de los automóviles. Estos contienen metales preciosos como platino, rodio y paladio, que permiten que el monóxido de carbono (CO), altamente tóxico, se convierta en dióxido de carbono (CO).dos) y reducir la cantidad de óxidos de nitrógeno nocivos (NOX)

«A pesar de su uso generalizado y su gran importancia, todavía ignoramos muchos detalles importantes de cómo funcionan los distintos catalizadores», explica Stierle, director de DESY NanoLab. «Es por eso que durante mucho tiempo hemos querido estudiar catalizadores reales en funcionamiento». Esto no es fácil, porque para hacer que la superficie activa sea lo más grande posible, los catalizadores generalmente se usan en forma de pequeños nanopartículas, y los cambios que afectan su actividad ocurren en su superficie.

Visión sin precedentes de una única nanopartícula catalizadora en acción

Vista de cerca (impresión del artista) de la nanopartícula bajo investigación: el monóxido de carbono se oxida a dióxido de carbono en la superficie de la nanopartícula. Crédito: Laboratorio de comunicación científica para DESY

La tensión superficial está relacionada con la composición química.

Como parte del proyecto EU Nanocience Foundries and Fine Analysis (NFFA), el equipo DESY NanoLab desarrolló una técnica para etiquetar nanopartículas individuales e identificarlas en una muestra. «Para el estudio, cultivamos nanopartículas de una aleación de platino-rodio en un sustrato en el laboratorio y etiquetamos una partícula específica», dice el coautor Thomas Keller de DESY NanoLab y responsable del proyecto en DESY. «El diámetro de la partícula etiquetada es de aproximadamente 100 nanómetros y es similar a las partículas utilizadas en el convertidor catalítico de un automóvil». Un nanómetro es una millonésima de milímetro.

Utilizando rayos X de la instalación europea de radiación de sincrotrón ESRF en Grenoble, Francia, el equipo no solo pudo crear una imagen detallada de la nanopartícula; También midió la deformación mecánica en su superficie. «La deformación de la superficie está relacionada con la composición de la superficie, en particular la relación entre átomos de platino y rodio», explica el coautor Philipp Pleßow del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), cuyo grupo calculó la deformación en función de la composición a partir de la superficie. Al comparar la deformación dependiente de facetas observada y calculada, se pueden sacar conclusiones sobre la composición química en la superficie de la partícula. Las diferentes superficies de una nanopartícula se denominan facetas, al igual que las facetas de una piedra preciosa cortada.

Cuando la nanopartícula crece, su superficie se compone principalmente de átomos de platino, ya que esta configuración se ve favorecida energéticamente. Sin embargo, los científicos han estudiado la forma de las partículas y la deformación de su superficie en diferentes condiciones, incluidas las condiciones de funcionamiento de un convertidor catalítico de automoción. Para hacer esto, calentaron la partícula a unos 430 grados Celsius y dejaron pasar las moléculas de oxígeno y monóxido de carbono. “En estas condiciones de reacción, el rodio dentro de la partícula se vuelve móvil y migra a la superficie porque interactúa más fuertemente con el oxígeno que con el platino”, explica Pleßow. Esto también lo predice la teoría.

“Como resultado, la deformación de la superficie y la forma de las partículas cambian”, informa el coautor Ivan Vartaniants de DESY, cuyo equipo convirtió los datos de difracción de rayos X en imágenes espaciales tridimensionales. «Se produce un enriquecimiento de rodio dependiente de las facetas, mediante el cual se forman esquinas y bordes adicionales». La composición química de superficiey la forma y el tamaño de las partículas tienen un efecto significativo en su función y eficiencia. Sin embargo, los científicos apenas están comenzando a comprender exactamente cómo están conectados y cómo controlar la estructura y composición de las nanopartículas. Los rayos X permiten a los investigadores detectar cambios de solo 0,1 en mil en la cepa, lo que en este experimento corresponde a una precisión de aproximadamente 0,0003 nanómetros (0,3 picómetros).

Animación: En funcionamiento, las moléculas de monóxido de carbono (diatómicas) se oxidan a moléculas de dióxido de carbono (triatómicas) en la partícula examinada. La luz de rayos X produce un patrón de difracción característico a partir del cual se pueden leer los cambios en la tensión superficial y, por lo tanto, la composición química de la superficie durante el funcionamiento. Crédito: Laboratorio de comunicación científica para DESY

Paso crucial para el análisis de materiales catalizadores industriales

«Ahora podemos, por primera vez, observar los detalles de los cambios estructurales en tales nanopartículas catalizadoras mientras están en funcionamiento», dijo Stierle, científico jefe de DESY y profesor de nanociencia en la Universidad de Hamburgo. «Este es un gran paso adelante y nos está ayudando a comprender toda una clase de reacciones que utilizan nanopartículas de aleación». Los científicos de KIT y DESY ahora quieren explorar sistemáticamente esto en el nuevo Centro Colaborativo de Investigación 1441, financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y titulado «Seguimiento de sitios activos en catálisis heterogénea para el control de emisiones (TrackAct)».

“Nuestra investigación es un paso importante hacia el análisis de materiales catalíticos industriales”, enfatiza Stierle. Hasta ahora, los científicos han tenido que desarrollar sistemas de laboratorio modelo para realizar tales investigaciones. «En este estudio, hemos llegado al límite de lo que se puede hacer. Con el microscopio de rayos X Petra IV planeado por DESY, podremos observar partículas individuales diez veces más pequeñas en catalizadores reales, y bajo condiciones de reacción. “DESY es uno de los principales centros de aceleración de partículas del mundo e investiga la estructura y función de la materia, desde la interacción de diminutas partículas elementales y el comportamiento de nuevos nanomateriales y biomoléculas vitales hasta los grandes misterios del universo. DESY se desarrolla y construye en su Las ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. Generan la radiación de rayos X más intensa del mundo, aceleran las partículas para registrar energías y abren nuevas ventanas al universo. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz, la asociación científica más grande de Alemania , y recibe su financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) (90 por ciento) y de los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo (10 por ciento).


Los bordes y las esquinas aumentan la eficiencia de los convertidores catalíticos


Mas informaciones:
Imagen de rayos X de una nanopartícula de aleación única durante una reacción catalítica; Young Yong Kim, Thomas F. Keller, James J. Goncalves, Manuel Abuin, Henning Runge, Luca Gelisio, Jerome Carnis, Vedran Vonk, Philipp N. Plessow, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle; Avances en la ciencia, 2021; 10.1126 / sciadv.abh0757

Cita: Vista sin precedentes de una nanopartícula de catalizador único en funcionamiento (2021, 1 de octubre) recuperada el 2 de octubre de 2021 de https://phys.org/news/2021-10-unprecedent-view-catalyst-nanoparticle.html

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