Los metales preciosos desempeñan un papel importante como catalizadores en la industria química: con la ayuda de plata, platino, paladio u otros elementos se pueden producir reacciones químicas que de otro modo no progresarían o solo progresarían a una velocidad de reacción mucho menor. Estos metales se utilizan a menudo en forma de pequeñas nanopartículas. Sin embargo, su funcionamiento depende de la superficie sobre la que se coloquen. Las nanopartículas basadas en carbono parecen funcionar especialmente bien; el motivo se desconocía durante mucho tiempo.
Sin embargo, en TU Wien ahora fue posible por primera vez medir e interpretar con precisión las interacciones entre nanopartículas metálicas y sustratos de carbono. Se descubrió que los átomos de plata sobre un soporte de carbono eran doscientas veces más activos que los átomos sobre un trozo de plata pura. Las simulaciones por computadora muestran que la región donde la plata entra en contacto directo con el carbono es crucial. Con el intercambio de isótopos de hidrógeno, se desarrolló un método para probar la eficacia de los soportes de catalizadores de forma más rápida y sencilla.
Del “arte negro” a la ciencia
“Durante mucho tiempo hubo algo casi mágico en el uso del carbono como material portador para la catálisis”, afirma el profesor Günther Ruprechter del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. Las fuentes de carbono se volvieron importantes. Para algunos procesos se utiliza carbón que se obtiene de cáscaras de coco, fibras o maderas especiales. Estas “recetas” se pueden encontrar incluso en documentos de patente, aunque el origen de la sustancia química en realidad debería ser relativamente irrelevante. “Siempre me pareció arte negro”, dice Gunther Ruprechter.
La idea era que diferentes métodos de producción podrían conducir a diferencias químicas o físicas mínimas: ¿tal vez el carbono se organiza de diferentes maneras dependiendo del método de producción? ¿Quizás contenga trazas de otros ingredientes químicos? ¿O se acumulan grupos funcionales en las superficies, pequeños bloques de construcción moleculares que interfieren con las reacciones químicas?
“En la industria química, la gente suele estar satisfecha de que un proceso funcione y pueda repetirse de forma fiable”, afirma Ruprechter. “Pero queríamos llegar a la fuente del efecto y comprender lo que realmente está sucediendo aquí a nivel atómico”. También participaron la Universidad de Cádiz (España) y el Centro USTEM de Microscopía Electrónica de la TU Viena.
Precisión de medición en un microrreactor
En primer lugar, el equipo produjo muestras que podían caracterizarse con gran precisión: nanopartículas de plata de tamaño conocido sobre un sustrato de carbono y una fina lámina de plata sin carbono.
A continuación, ambas muestras se analizaron en un reactor químico: “La plata puede utilizarse para dividir las moléculas de hidrógeno en átomos de hidrógeno individuales”, explica Thomas Wicht, primer autor del estudio. “Este hidrógeno se puede utilizar, por ejemplo, para la reacción de hidrogenación del eteno. De forma análoga también se pueden mezclar moléculas de hidrógeno “normales” con moléculas de hidrógeno pesado (deuterio). A continuación, ambas moléculas se disocian con plata. Y recombinado”. Cuanto más activo es el catalizador, más frecuentemente se intercambian los dos isótopos de hidrógeno. Proporciona información muy fiable sobre la actividad catalítica.
Esto significa que por primera vez se puede medir con precisión la diferencia de actividad entre los átomos de plata con y sin soporte de carbono, con resultados espectaculares: “Para cada átomo de plata, el fondo de carbono induce doscientas veces más actividad”, afirma Thomas Wicht. . “Esto es, por supuesto, muy importante para aplicaciones industriales. Sólo se necesitan dos centésimas de la cantidad de metales preciosos caros para lograr la misma actividad, y se puede lograr añadiendo carbono relativamente barato”.
Efectos emocionantes ocurren justo en la frontera
Alexander Genest, del equipo de TU Wien, realizó simulaciones por ordenador comparando la activación de hidrógeno mediante nanopartículas de plata sobre carbono y plata pura. Esto dejó claro: la zona límite entre las partículas de plata y el portador de carbono es decisiva. El efecto catalítico es mayor justo donde los dos entran en contacto. “Por lo tanto, no se trata de la superficie del carbono ni de la forma de ningún átomo extraño o grupo funcional. Se produce un efecto catalítico extremo cuando una molécula reactiva interactúa directamente con un átomo de carbono y uno de plata en la interfaz”, dice Alexander Genest. Cuanto mayor sea esta zona de contacto directo, mayor será la actividad.
Este conocimiento significa que ahora se puede probar con bastante facilidad la eficacia de diferentes lotes de carbono de diferentes fuentes. “Ahora que entendemos el mecanismo de acción, sabemos exactamente en qué centrarnos”, afirma Gunther Ruprechter. “Nuestro experimento, en el que exponemos los catalizadores a una mezcla de hidrógeno normal y pesado, es relativamente sencillo de realizar y proporciona información muy fiable sobre si esta variante del portador de carbono también es adecuada para otras reacciones químicas”. Ser capaz de explicar los procesos a nivel atómico debería ahora ahorrar tiempo y dinero a la industria y facilitar el control de calidad.