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Los científicos han creado un nuevo tipo de catalizador que dará lugar a nuevas formas sostenibles de fabricar y utilizar moléculas y protegerá el suministro de metales preciosos.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Nottingham ha diseñado un nuevo tipo de catalizador que combina características que hasta ahora se consideraban mutuamente excluyentes y ha desarrollado un proceso para fabricar nanoclusters de metales a escala masiva.
En su nueva investigación, publicada hoy en Nature Communications, demuestran que el comportamiento de los nanoclusters de paladio no se ajusta a las características ortodoxas que definen a los catalizadores como homogéneos o heterogéneos.
Tradicionalmente, los catalizadores se dividen en homogéneos, cuando los centros catalíticos están íntimamente mezclados con las moléculas reactivas, y heterogéneos, cuando las reacciones tienen lugar en la superficie del catalizador. Normalmente, los químicos deben hacer concesiones a la hora de elegir un tipo u otro, ya que los catalizadores homogéneos son más selectivos y activos, y los heterogéneos son más duraderos y reutilizables. Sin embargo, los nanoclusters de átomos de paladio parecen desafiar las categorías tradicionales, como se demuestra al estudiar su comportamiento catalítico en la reacción de ciclopropanación del estireno.
Los catalizadores hacen posible casi el 80% de los procesos químicos industriales que proporcionan los ingredientes más vitales de nuestra economía, desde los materiales (como los polímeros) y los productos farmacéuticos hasta los productos agroquímicos, incluidos los fertilizantes y la protección de los cultivos. La gran demanda de catalizadores hace que las reservas mundiales de muchos metales útiles, como el oro, el platino y el paladio, se agoten rápidamente. El reto es utilizar cada átomo al máximo de su potencial. La explotación de los metales en forma de nanoclusters es una de las estrategias más potentes para aumentar la superficie activa disponible para la catálisis. Además, cuando las dimensiones de los nanoclusters superan la escala nanométrica, las propiedades del metal pueden cambiar drásticamente, dando lugar a nuevos fenómenos que de otro modo serían inaccesibles a macroescala.
El equipo de investigación utilizó técnicas analíticas y de imagen para sondear la estructura, la dinámica y las propiedades químicas de los nanoclusters, con el fin de revelar el funcionamiento interno de este inusual catalizador a nivel atómico.
El descubrimiento del equipo es la clave para liberar todo el potencial de la catálisis en la química, lo que conducirá a nuevas formas de fabricar y utilizar moléculas de la manera más eficiente desde el punto de vista atómico y resistente a la energía.
La investigación ha sido dirigida por el Dr. Jesum Alves Fernandes, investigador de Propulsion Futures Beacon Nottingham de la Facultad de Química: "Utilizamos la forma más directa de fabricar nanoclusters, simplemente expulsando los átomos del metal a granel mediante un haz de iones rápidos de argón, un método llamado sputtering de magnetrón. Este método suele utilizarse para fabricar revestimientos o películas, pero nosotros lo hemos adaptado para producir nanoclusters de metal que pueden depositarse en casi cualquier superficie. Y lo que es más importante, el tamaño de los nanoclusters puede controlarse con precisión mediante parámetros experimentales, desde un solo átomo hasta unos pocos nanómetros, de modo que se puede generar una matriz de nanoclusters uniformes a petición en cuestión de segundos".
El Dr. Andreas Weilhard, investigador postdoctoral de Green Chemicals Beacon en el equipo, añadió: "Las superficies de los clústeres metálicos producidos por este método están completamente "desnudas" y, por tanto, son muy activas y accesibles para las reacciones químicas, lo que da lugar a una elevada actividad catalítica."
El profesor Peter Licence, director del Laboratorio de Carbono Neutral de GSK en la Universidad de Nottingham, añadió: "Este método de fabricación de catalizadores es importante no sólo porque permite el uso más económico de los metales raros, sino que lo hace de la forma más limpia, sin necesidad de disolventes ni reactivos químicos, generando así niveles muy bajos de residuos, lo que es un factor cada vez más importante para las tecnologías químicas verdes."
La Universidad está a punto de embarcarse en un proyecto a gran escala para ampliar este trabajo con una investigación que conducirá a la protección de elementos en peligro de extinción.
El profesor Andrei Khlobystov, investigador principal del MASI, dijo: "Nuestro proyecto está llamado a revolucionar las formas de utilizar los metales en una amplia gama de tecnologías y a acabar con nuestra dependencia de elementos en peligro crítico. En concreto, el MASI logrará avances en: la reducción de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) y su valorización en productos químicos útiles; la producción de amoníaco (NH3) "verde" como combustible alternativo de cero emisiones y un nuevo vector para el almacenamiento de hidrógeno; y el suministro de tecnologías de pilas de combustible y electrolizadores más sostenibles."
Los nanoclusters metálicos se activan para las reacciones con las moléculas, que pueden ser impulsadas por el calor, la luz o el potencial eléctrico, mientras que las interacciones sintonizables con los materiales de soporte proporcionan durabilidad y reutilización de los catalizadores. En particular, los catalizadores MASI se aplicarán para la activación de moléculas difíciles de romper (por ejemplo, N2, H2 y CO2) en reacciones que constituyen la columna vertebral de la industria química, como el proceso Haber-Bosch.
Fuentes, créditos y referencias:
Blurring the boundary between homogenous and heterogeneous catalysis using palladium nanoclusters with dynamic surfaces, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25263-6