Un esfuerzo de investigación colaborativo entre la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Twin Cities de la Universidad de Minnesota y la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston ha arrojado resultados revolucionarios en el campo de la fabricación de catalizadores. La investigación del equipo, publicada ahora en la revista de acceso abierto ACS Central Science, proporciona información sin precedentes sobre el papel de las fracciones de electrones en los procesos catalíticos, particularmente con metales preciosos como el oro, la plata y el platino.
Los catalizadores son esenciales en diversas aplicaciones industriales, ya que reducen significativamente la energía necesaria para las reacciones químicas, mejorando así la eficiencia de la producción en muchos sectores, incluidos los farmacéuticos, la producción de baterías y las operaciones petroquímicas, como la refinación de petróleo crudo. A medida que aumenta la demanda global, mejorar la velocidad, la confiabilidad y la controlabilidad de estos procesos catalíticos se ha convertido en un enfoque clave para las industrias de combustibles, productos químicos y materiales.
La investigación aborda una cuestión de larga data sobre cómo interactúan los átomos con las superficies de los catalizadores, explorando específicamente el intercambio de electrones entre átomos y metales. En esta interacción, las moléculas se estabilizan temporalmente, lo que permite que se produzcan reacciones químicas. A pesar de las sospechas de los científicos sobre este fenómeno de intercambio de electrones durante más de un siglo, hasta ahora no se han realizado mediciones cuantitativas.
Un método innovador desarrollado por investigadores llamado titulación de electrones isopotenciales (IET) permite la medición directa de fracciones de electrones. Este avance proporciona una comprensión más precisa del comportamiento molecular en las superficies de los catalizadores. Como señaló Justin Hopkins, Ph.D. Estudiante de ingeniería química y autor principal del estudio, la capacidad de medir estas pequeñas fracciones de electrones proporciona una visión más clara e intuitiva del enlace de superficies en condiciones relevantes para la catálisis.
La medición precisa de la transferencia de electrones es fundamental para determinar la eficacia de un catalizador, porque las moléculas que pueden compartir electrones más fácilmente se unen con más fuerza y reaccionan más fácilmente. Aunque los metales nobles son conocidos por sus capacidades óptimas para compartir electrones, el hecho de que este intercambio ahora se capture cuantitativamente ofrece nuevas oportunidades para el diseño de catalizadores.
La tecnología IET permite a los investigadores evaluar y comparar directamente diferentes formulaciones de catalizadores, acelerando el descubrimiento de materiales prometedores para diversas aplicaciones. Omar Abdelrahman, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, explica cómo el IET permite medir el intercambio de electrones a niveles extremadamente bajos, explicando incluso cómo un átomo de hidrógeno transfiere el 0,2% de un electrón cuando está unido al platino.
La llegada de la nanotecnología al desarrollo de catalizadores, junto con sofisticadas herramientas de aprendizaje automático que pueden analizar grandes conjuntos de datos, ha ampliado el repertorio de materiales catalizadores conocidos. IET complementa estos avances al permitir la observación del comportamiento catalítico a un nivel electrónico fundamental, aumentando así la comprensión de nuevas tecnologías catalíticas potenciales.
Paul Downhauer, director del Centro de Catálisis de Energía Programable de la Universidad de Minnesota, enfatizó que la investigación fundamental siempre implica avances en las tecnologías catalíticas. El descubrimiento de la distribución parcial de electrones establece un nuevo marco científico que puede guiar el desarrollo de tecnologías energéticas en las próximas décadas.
Esta investigación está alineada con los objetivos más amplios del Centro de Catálisis de Energía Programable, uno de los Centros de Investigación de la Frontera Energética del Departamento de Energía de EE. UU., centrado en el desarrollo de tecnologías catalíticas de próxima generación. Establecido en 2022, el centro tiene como objetivo avanzar en la producción de materiales, productos químicos y combustibles a través de innovadores sistemas catalíticos dinámicos, contribuyendo así a un futuro de fabricación sostenible.
