Química

Carga eléctrica en nanocatalizadores

(NC&T) El hallazgo ha sido hecho por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Técnica de Munich.

Estudiando conglomerados de oro de dimensiones nanométricas en una superficie de óxido de magnesio, los científicos encontraron evidencia directa de la carga eléctrica de un nanocatalizador. Se trata de un factor importante para aumentar la velocidad de las reacciones químicas.

La fabricación de la mayoría de los materiales sintéticos de uso actual implica usar catalizadores para elevar las tasas de reacción. Diseñar catalizadores más eficientes, selectivos y específicos a un cierto tipo de reacción, puede llevar a un ahorro significativo en gastos industriales. La comprensión de los principios que gobiernan a los nanocatalizadores es clave para el desarrollo de catalizadores más eficaces.

El presente estudio se basa en investigaciones conjuntas hechas desde 1999 por los dos grupos, que hallaron que el oro es un catalizador muy eficaz cuando está en nanoagrupaciones de ocho a dos docenas de átomos. Esos tamaños específicos permiten que los racimos de oro asuman una estructura tridimensional, lo cual es importante por su capacidad de reacción. Es posible ajustar el proceso catalizador no sólo cambiando la composición de los materiales, sino también cambiando el tamaño del racimo átomo a átomo.

En esos estudios tempranos de la reacción donde el monóxido de carbono y el oxígeno molecular se combinan para formar dióxido de carbono, el grupo de Uzi Landman (director del Centro de Ciencia de Materiales para Computadoras y catedrático de Física en el Tecnológico de Georgia) usó simulaciones por ordenador para predecir que cuando los nanorracimos de oro de ocho átomos fueran usados como catalizadores y el óxido de magnesio como lecho catalítico, las reacciones ocurrirían cuando dicho lecho catalítico tuviese defectos en forma de átomos de oxígeno ausentes, pero no ocurrirían cuando el óxido del magnesio estuviera libre de defectos.

Nanocatalizadores
Uzi Landman (Foto: Georgia Institute of Technology)
Los experimentos de Ueli Heiz, profesor de química en la Universidad Técnica de Munich, confirmaron esta predicción, y los dos equipos de investigadores concluyeron que el oro debe estarse fijando al defecto de la red, donde captura un electrón que le da al oro una ligera carga negativa. Las simulaciones teóricas mostraron que la estructura electrónica de los racimos encaja con el oxígeno y el monóxido de carbono. El oro cargado eléctricamente transfiere un electrón a las moléculas que reaccionan, debilitando los enlaces químicos que las mantienen unidas. Una vez que el enlace está suficientemente debilitado, éste se rompe, permitiendo que las reacciones ocurran.

Ahora, en este último estudio, el grupo ha encontrado evidencia directa de que esto es precisamente lo qué esta aconteciendo. Usando conjuntos de ocho átomos de oro como catalizadores y óxido de magnesio como lecho catalítico, el equipo midió y calculó la fuerza de los enlaces en el monóxido de carbono grabando la frecuencia de vibraciones de las moléculas. Si el monóxido de carbono es un enlace fuerte, entonces se registra una cierta frecuencia de esta vibración. Si el enlace del monóxido del carbono se debilita, entonces la frecuencia de las vibraciones se hace más baja. Eso es exactamente lo que los investigadores vieron; cuando tenían defectos en el óxido de magnesio, registraban desplazamientos más grandes que cuando empleaban óxido de magnesio sin defectos.

Bokwon Yoon, autor principal del estudio e investigador de experiencia en el grupo de Landman, considera muy satisfactoria la concordancia entre los valores predichos y medidos de los cambios de la frecuencia de vibración, que confirman los mecanismos de adquisición de cargas y enlace.

Heiz resalta el hecho de que todo esto pasa a bajas temperaturas. Típicamente, las reacciones que requieren catalizadores necesitan calor o presión para activarse, y esto aumenta el costo de la manufactura. Pero éste no es el caso aquí. Dado que las propiedades de los lechos catalíticos pueden aumentar la tasa de reacciones por nanocatalizadores, es viable hallar nuevos y mejores catalizadores a baja temperatura.

En su momento, los investigadores se percataron de la importancia de los defectos en los lechos catalíticos y del número específico de átomos en el catalizador. Ahora ya saben por qué esos defectos son tan esenciales: porque permiten que el catalizador se cargue eléctricamente. Es previsible que estas pautas conduzcan a más investigaciones en busca de nanocatalizadores, y que éstos sean capaces de operar bajo condiciones menos exigentes y más baratas.


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