Nanopartículas para diseñar catalizadores a medida y más eficientes
Los catalizadores, utilizados en el 95% de los procesos industriales, así como para eliminar los gases contaminantes que emiten los vehículos con motores de combustión, son las sustancias que aceleran las reacciones químicas. El cuerpo humano también tiene cientos de ellos, pero en forma de enzimas. Desde el punto de vista energético, la función del catalizador es reducir la energía necesaria para activar estas reacciones.
Los catalizadores, utilizados en el 95% de los procesos industriales, así como para eliminar los gases contaminantes que emiten los vehículos con motores de combustión, son las sustancias que aceleran las reacciones químicas. El cuerpo humano también tiene cientos de ellos, pero en forma de enzimas. Desde el punto de vista energético, la función del catalizador es reducir la energía necesaria para activar estas reacciones.
Ahora, un equipo de investigadores de la UB, la UPC y el Laboratorio de Luz del Sincrotrón ALBA (Cerdanyola del Vallès) ha descubierto cómo se mueven los átomos en un catalizador real, y ha demostrado que dichos átomos reaccionan de forma diferente en función del tipo de catalizador que se utiliza. Esta investigación abre la puerta al diseño de catalizadores a medida para aplicaciones energéticas e industriales y para la eliminación de gases contaminantes.
En el estudio, publicado el 31 de octubre en la revista Science, han participado la investigadora Inma Angurell, del Departamento de Química Inorgánica de la UB; el investigador Jordi Llorca, del Centro de Investigación en Nanoingeniería (CRnE) y del Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) ─ambos de la UPC ─, quien encabeza la investigación; la estudiante de doctorado de la UPC Núria Jiménez Divins y los investigadores Carlos Escudero y Virginia Pérez Dieste, de ALBA.
Catalizadores a medida
El catalizador que han escogido los investigadores contiene nanopartículas metálicas de rodio y paladio —preparadas por el Grupo de Investigación en Dendrímeros y Polígonos Moleculares de la UB— que se han fijado a un soporte de óxido de cerio. Este catalizador es muy eficiente en la producción de hidrógeno, un producto que puede sustituir los combustibles fósiles antes de que se agoten y permitir el cambio del modelo energético actual por uno más sostenible y respetuoso con el medio ambiente.
En este sentido, los resultados de la investigación facilitan el camino para obtener hidrógeno del modo más eficiente posible, concretamente a partir de agua y bioetanol, un recurso renovable y económico que se obtiene fácilmente a partir de residuos forestales y desechos agrícolas. Un símil para entender la mayor eficiencia de este proceso sería el de buscar el mejor camino para atravesar una montaña: el camino más corto es subir por una ladera y bajar por la otra, pero esta opción es la que requiere mayor uso de energía. Sin embargo, si encontramos el trayecto más idóneo para dar la vuelta a la montaña, aunque este parezca más largo, requerirá menos uso de energía y, por tanto, la atravesaremos más rápido.
Un paso para encontrar este camino es saber cómo se comportan realmente los átomos y las nanopartículas en un catalizador, y comprobar si siempre lo hacen de la misma forma. Para hacer este experimento, los investigadores han utilizado la nueva línea de fotoemisión Napper del sincrotrón ALBA, que se estrenó en noviembre de 2013 con este experimento.
Hasta el momento, utilizando la cámara de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) del CRnE-UPC, los investigadores habían logrado saber qué pasaba cuando las moléculas de agua y etanol se calentaban a 550 ºC. Ahora, gracias al uso de la luz del sincrotrón ALBA, han podido conocer con más precisión el movimiento de los átomos en las nanopartículas en el curso de las reacciones químicas, y han descubierto que estas nanopartículas tienen un comportamiento distinto según las características del catalizador, las cuales pueden afectar tanto a la composición como a la forma y a la nanoestructura de aquellas. Es decir, las nanopartículas saben cuál es su soporte y reaccionan en consecuencia. Este descubrimiento abre la puerta a diseñar catalizadores a medida y más eficientes; ya que pueden desarrollarse o adaptarse a los dispositivos ya existentes teniendo en cuenta el proceso para el que se requieren.
En el caso del hidrógeno, el equipo investigador ha constatado que para producirlo es necesario que los átomos del catalizador estén en unas posiciones determinadas. Estas posiciones permiten el intercambio de electrones de forma adecuada entre las nanopartículas metálicas y el apoyo de óxido de cerio en el momento en que se rompen y forman nuevos enlaces químicos para producir el hidrógeno.
Este hallazgo podría aplicarse, por ejemplo, a los vehículos con motores de combustión (coches, motos, aviones, barcos, etc.) que ya utilizan catalizadores con óxido de cerio, para los que se podrían diseñar nanoformas o nanoestructuras nuevas, o incluso adaptar las ya existentes con el fin de que sean más eficientes energéticamente.
Núria J. Divins, Inma Angurell, Carlos Escudero, Virginia Pérez Dieste, Jordi Llorca. «Influence of the support on surface rearrangements of bimetallic nanoparticles in real catalysts». Science, 31 de octubre de 2014. Doi: 10.1126/science.1258106