Un nuevo dispositivo es capaz de convertir electrónicamente un metal para que se comporte como otro para usarlo como catalizador en reacciones químicas.
Un dispositivo inventado por la Universidad de Minnesota es capaz de convertir electrónicamente un metal para que se comporte como otro para usarlo como catalizador en reacciones químicas.
El dispositivo, llamado “condensador catalítico“, es el primero en demostrar que los materiales alternativos que se modifican electrónicamente para proporcionar nuevas propiedades pueden producir un procesamiento químico más rápido y eficiente.
La invención abre la puerta a nuevas tecnologías catalíticas que utilizan catalizadores de metales no preciosos para aplicaciones importantes como el almacenamiento de energía renovable, la fabricación de combustibles renovables y la fabricación de materiales sostenibles.
El procesamiento químico durante el último siglo se ha basado en el uso de materiales específicos para promover la fábrica.
El control preciso de la densidad de electrones en los sitios activos del catalizador permite la regulación de la química de la superficie para obtener la velocidad y la selectividad óptimas para los productos.
Aquí, una película catalítica ultrafina de alúmina amorfa (4 nm) se integró en un dispositivo condensador catalítico que permitió el agotamiento de electrones sintonizable de la capa activa de alúmina.
Muchos de estos materiales, como los metales preciosos rutenio, platino, rodio y paladio, tienen propiedades de superficie electrónica únicas.
Pueden actuar tanto como metales como como óxidos metálicos, lo que los hace fundamentales para controlar las reacciones químicas.
El público en general probablemente esté más familiarizado con este concepto en relación con el aumento de los robos de convertidores catalíticos en los automóviles.
Los convertidores catalíticos son valiosos debido al rodio y paladio que contienen. De hecho, el paladio puede ser más caro que el oro.
Estos costosos materiales a menudo escasean en todo el mundo y se han convertido en una barrera importante para el avance de la tecnología.
Para desarrollar este método para ajustar las propiedades catalíticas de materiales alternativos, los investigadores se basaron en su conocimiento de cómo se comportan los electrones en las superficies.
El equipo probó con éxito la teoría de que agregar y quitar electrones a un material podría convertir el óxido metálico en algo que imitara las propiedades de otro.
“Los átomos realmente no quieren cambiar su número de electrones, pero inventamos el dispositivo condensador catalítico que nos permite ajustar el número de electrones en la superficie del catalizador“, dijo Paul Dauenhauer, miembro de MacArthur y profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota, quien dirigió el equipo de investigación.
“Esto abre una oportunidad completamente nueva para controlar la química y hacer que los materiales abundantes actúen como materiales preciosos“.
El dispositivo condensador catalítico utiliza una combinación de películas nanométricas para mover y estabilizar los electrones en la superficie del catalizador.
Este diseño tiene el mecanismo único de combinar metales y óxidos metálicos con grafeno para permitir un flujo de electrones rápido con superficies que se pueden ajustar para la química.
“Usando varias tecnologías de película delgada, combinamos una película de alúmina a nanoescala hecha de metal de aluminio abundante de bajo costo con grafeno, que luego pudimos ajustar para que adquiriera las propiedades de otros materiales“, dijo Tzia Ming Onn, una investigador postdoctoral de la Universidad de Minnesota que fabricó y probó los condensadores catalíticos.
“La capacidad sustancial para ajustar las propiedades catalíticas y electrónicas del catalizador superó nuestras expectativas“.
El diseño del condensador catalítico tiene una amplia utilidad como dispositivo de plataforma para una variedad de aplicaciones de fabricación.
Esta versatilidad proviene de su fabricación nanométrica que incorpora grafeno como componente habilitador de la capa superficial activa.
El poder del dispositivo para estabilizar electrones (o la ausencia de electrones llamados “agujeros”) se puede ajustar con una composición variable de una capa interna fuertemente aislante.
La capa activa del dispositivo también puede incorporar cualquier material catalítico base con aditivos adicionales, que luego pueden ajustarse para lograr las propiedades de materiales catalíticos costosos.
“Vemos el condensador catalítico como una tecnología de plataforma que se puede implementar en una gran cantidad de aplicaciones de fabricación“, dijo Dan Frisbie, profesor y director del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota y miembro del equipo de investigación.
“Las ideas de diseño central y los componentes novedosos se pueden modificar a casi cualquier química que podamos imaginar“.
El equipo planea continuar su investigación sobre condensadores catalíticos aplicándolos a metales preciosos para algunos de los problemas ambientales y de sostenibilidad más importantes.
Varios proyectos paralelos ya están en progreso para almacenar electricidad renovable como amoníaco, fabricar las moléculas clave en plásticos renovables y limpiar corrientes de desechos gaseosos.
Fuente: ACS
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