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Una nueva técnica del CNSI de la UCLA podría conducir a enfoques de diseño que optimicen el rendimiento de las reacciones químicas, según el estudio que han venido desarrollando un grupo de investigadores para desvelar detalles a escala atómica de los sitios activos de los catalizadores.
Muchas reacciones importantes utilizan catalizadores heterogéneos, es decir, catalizadores que se encuentran en una fase de la materia distinta de la de las sustancias con las que reaccionan, como el platino sólido que reacciona con los gases en el catalizador de un automóvil.
Los científicos han investigado la superficie de cristales individuales bien definidos, iluminando los mecanismos subyacentes a muchas reacciones químicas. Sin embargo, aún queda mucho por aprender. En el caso de los catalizadores heterogéneos, su estructura atómica tridimensional, su composición química y la naturaleza de sus sitios activos, donde tienen lugar las reacciones, han permanecido esquivos durante mucho tiempo.
Ahora, una investigación dirigida por miembros del California NanoSystems Institute de la UCLA ha determinado las coordenadas atómicas tridimensionales, la composición química y la composición superficial de los nanocatalizadores heterogéneos -de tamaños de milmillonésimas de metro- utilizados en reacciones químicas impulsadas por electricidad.
La técnica del equipo podría tener un profundo impacto en la comprensión fundamental de los sitios activos de los catalizadores y permitir a los ingenieros diseñar racionalmente nanocatalizadores de forma que se optimice su rendimiento, mientras que los métodos actuales se acercan más al ensayo y error.
El estudio fue dirigido por los autores correspondientes y miembros del CNSI Jianwei "John" Miao, catedrático de Física y Astronomía de la Facultad de Ingeniería de la UCLA; Yu Huang, catedrático de la Fundación Traugott y Dorothea Frederking y director del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA; y Philippe Sautet, catedrático de Ingeniería Química y Biomolecular y vicepresidente de Educación de Posgrado de la Escuela Samueli de la UCLA.
Utilizando los avances que desarrollaron para una técnica de microscopía llamada tomografía electrónica atómica, el equipo estudió 11 nanopartículas compuestas de una aleación de platino y níquel sola o de esa aleación más trazas de molibdeno, otro metal que puede servir de catalizador. Los investigadores pudieron medir una serie de características a resolución atómica, como las facetas de las nanopartículas, las hendiduras de su superficie y el orden relativo de las estructuras y los componentes químicos de los catalizadores.
Los datos de la tomografía electrónica atómica se introdujeron en modelos de inteligencia artificial entrenados a partir de principios fundamentales de la física y la química. Con los algoritmos, los investigadores identificaron los sitios activos donde se produce la catálisis. A continuación, validaron los resultados con mediciones reales.
Las observaciones de los científicos revelaron que la actividad química en los sitios superficiales de platino varía ampliamente, en varios órdenes de magnitud. El equipo llevó a cabo un análisis exhaustivo de la relación entre la estructura de los nanocatalizadores y la actividad química a nivel de átomos individuales para formular una ecuación que proporcionara información cuantitativa sobre los sitios activos de los nanocatalizadores.
Aunque este estudio se centró en los nanocatalizadores de aleación de platino en una reacción electroquímica específica, el método general puede aplicarse a una amplia gama de nanocatalizadores para diversas reacciones con el fin de determinar las posiciones tridimensionales locales de los átomos, así como la composición elemental y superficial de los catalizadores.
