Desarrollan una forma de construir grupos metálicos, con precisión casi atómica, en un método que tiene el potencial de mejorar los catalizadores y acelerar las reacciones químicas, incluida la conversión del dióxido de carbono en sustancias químicas de alto valor como el metanol.

Motivados por convertir gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono en sustancias químicas de alto valor como el metanol, los ingenieros químicos de la EPFL han desarrollado un nuevo método para fabricar catalizadores. Los catalizadores son herramientas importantes en la industria química y se fabrican en gran medida para fabricar petroquímicos. Con este método, han desarrollado una forma de construir, con precisión casi atómica, grupos metálicos sobre soportes sólidos que tienen el potencial de mejorar la actividad catalítica. Los resultados se publican en Nature Catalysis.

 

2024 EPFL / Alain Herzog CC-BY-SA 4.0

 

"Lo que se desea es producir la mayor cantidad posible de producto por catalizador, y hemos descubierto que cuando un catalizador se prepara con precisión casi atómica, se obtiene un material más activo", dice Jeremy Luterbacher, profesor del Laboratorio de Desarrollo Sostenible y Desarrollo Sostenible de la EPFL. Procesamiento catalítico. "Esta técnica es particularmente interesante para reacciones difíciles como la del dióxido de carbono con gas hidrógeno para producir metanol renovable".

 

Sobre catalizadores

Aunque son omnipresentes en la industria, lo más común es que interactuemos con catalizadores sólidos en el tubo de escape de nuestro automóvil. Allí, un convertidor catalítico toma los gases de escape de la combustión de combustible y ayuda a reducir la cantidad de contaminantes tóxicos liberados al aire. El motor de un coche produce, en particular, monóxido de carbono (CO), un gas tóxico inodoro e incoloro que, en altas concentraciones, puede provocar enfermedades y la muerte si se inhala. Dentro de la cámara hay un catalizador, generalmente hecho de pequeñas partículas de platino o paladio sobre un sólido más barato. Este metal une el aire y los contaminantes como el monóxido de carbono y los ayuda a reaccionar para producir dióxido de carbono (CO2), gas menos tóxico, en el aire.

 

“Una reacción puede ocurrir sin un catalizador a alta temperatura. Por ejemplo, quemar monóxido de carbono en una llama hace posible que el monóxido de carbono y el oxígeno choquen entre sí para formar dióxido de carbono porque están lo suficientemente calientes como para que la colisión sea lo suficientemente poderosa”, explica Luterbacher. “Con un catalizador, el monóxido de carbono y el oxígeno están unidos a una superficie metálica y pueden reaccionar a pesar de chocar a una temperatura más baja. Es como si estuvieran patinando sobre hielo sobre la superficie del catalizador y la superficie ayuda a la transformación entre el contaminante y el reactivo”.

 

Los catalizadores del futuro deben poder convertir el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero que es la mayor fuente de carbono renovable de nuestro planeta, en gases de alto valor como el metanol. Este proceso tiene lugar en una reacción química denominada hidrogenación, una reacción difícil ya que puede producir muchas cosas además de metanol.

 

Fabricar un catalizador que sea lo suficientemente activo como para transformar el dióxido de carbono lo suficientemente rápido en metanol sin fabricar otros productos es un desafío importante. Capas de precisión del catalizador. Para fabricar un catalizador sólido, se deposita una partícula de metal sobre un material con una gran superficie, como un polvo poroso, para maximizar el contacto con el reactivo.

 

Luterbacher y su equipo se preguntaron si podrían controlar y acelerar las reacciones controlando con precisión la composición del catalizador, en particular eligiendo la cantidad justa de material para ajustar la fuerza con la que los reactivos se unirían al catalizador. Habían descubierto en investigaciones anteriores que podían depositar islas de metales con precisión casi atómica sobre soportes sólidos, un método llamado deposición de capas atómicas en fase líquida (ALD), perfecto para crear sitios activos de catalizadores precisos para permitir una reacción.

 

De hecho, depositar estas pequeñas islas o grupos de varios metales con una precisión casi atómica permitió al equipo de la EPFL hidrogenar dióxido de carbono a velocidades más de diez veces superiores que con un catalizador de la misma composición pero construido sin este control.

 

Utilizaron óxido de magnesio como soporte, que normalmente se une al dióxido de carbono con demasiada fuerza para ser reactivo, y depositaron pequeñas islas de circonio, que es un material que normalmente se une al dióxido de carbono con demasiada ligereza. Luego, agregaron cobre para unir el hidrógeno. Cuando se los colocaba en las proporciones adecuadas, parecían tener la combinación adecuada para producir mucho metanol rápidamente y poco de otra cosa.

 

"El óxido de magnesio es ampliamente reconocido como un material estable para la captura de CO2, pero su fuerte afinidad por el CO2 ha limitado su uso como soporte de catalizador. Convertimos esta limitación en una oportunidad al asociarla con circonita. Encontrar el equilibrio óptimo para la afinidad del CO2 combinando MgO y ZrO2 con diferentes propiedades solo fue posible mediante la poderosa herramienta de la deposición de capas atómicas en fase líquida”, dice Seongmin Jin, ex investigador postdoctoral en LPDC y autor principal del estudio.

 

“Si comparamos la cantidad de material catalizador con su contenido de cobre, entonces nuestro catalizador es más activo que incluso los catalizadores comerciales. Nuestra actividad por sitio activo también es superior. Vale la pena señalar que nuestra actividad por peso de material catalizador sigue siendo inferior a la de sus equivalentes comerciales porque necesitamos descubrir cómo producir muchos más de estos grupos en la superficie. Pero hemos demostrado que es posible lograr un control muy alto incluso a nivel atómico, y este control parece ser muy importante. Esto abre la posibilidad de explorar muchas combinaciones de metales o posibilidades”, concluye Luterbacher.

 

Más información en https://www.epfl.ch

 

 

 

 

 

 

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