Nanopartículas: el complejo ritmo de la química

La mayoría de los productos químicos comerciales se producen mediante catalizadores. Normalmente, estos catalizadores consisten en pequeñas nanopartículas metálicas colocadas sobre un soporte oxidante. Al igual que un diamante tallado, cuya superficie consta de diferentes lados dirigidos en diferentes direcciones, las nanopartículas catalíticas también tienen diferentes lados cristalinos, y estos aspectos pueden tener diferentes propiedades químicas.

Hasta ahora, estas diferencias a menudo han permanecido insignificantes en la investigación de catálisis porque es muy difícil obtener información simultáneamente sobre la reacción química en sí y la estructura de la superficie del catalizador. En TU Wien (Viena), esto se logró ahora combinando diferentes métodos microscópicos: con la ayuda de la microscopía electrónica de campo y la microscopía de iones de campo, fue posible visualizar la oxidación del hidrógeno en una sola nanopartícula de rodio en tiempo real con una resolución nanométrica. Esto reveló efectos sorprendentes que deben tenerse en cuenta a la hora de buscar mejores estímulos en el futuro. Los resultados se presentan ahora en la revista científica. Ciencias.

«En ciertas reacciones químicas, el catalizador puede alternar periódicamente entre el estado activo y el inactivo», dice el profesor Gunter Rubrichter del Instituto de Química de Materiales en TU Wien. «Pueden ocurrir oscilaciones químicas autosostenidas entre los dos estados; el químico Gerhard Ertl recibió el Premio Nobel de Química por este descubrimiento en 2007».

Lo mismo ocurre con las nanopartículas de rodio, que se utilizan como catalizador para la oxidación del hidrógeno, la base de cada pila de combustible. En determinadas condiciones, las nanopartículas pueden oscilar entre un estado en el que las moléculas de oxígeno se separan en la superficie de la partícula y el estado en el que se une el hidrógeno.

El profesor explica: «Cuando la partícula de rodio se expone a una atmósfera de oxígeno e hidrógeno, las moléculas de oxígeno se dividen en átomos individuales en la superficie del rodio. Estos átomos de oxígeno pueden migrar debajo de la capa superior de rodio y acumularse como oxígeno debajo de la superficie». allí.» Yuri Souchorsky, primer autor del estudio.

Al interactuar con el hidrógeno, los átomos de oxígeno almacenados pueden volver a extraerse e interactuar con los átomos de hidrógeno. Luego, nuevamente, hay espacio para más átomos de oxígeno dentro de la partícula de rodio y el ciclo comienza de nuevo. «El mecanismo de retroalimentación controla la frecuencia de las oscilaciones», dice Yuri Sochorsky.

Hasta ahora, se pensaba que estas oscilaciones químicas siempre ocurrían simultáneamente al mismo ritmo sobre una nanopartícula completa. Después de todo, los procesos químicos en diferentes lados de la superficie de las nanopartículas están relacionados espacialmente, ya que los átomos de hidrógeno pueden moverse fácilmente de un lado a los lados adyacentes.

Sin embargo, los resultados del grupo de investigación del profesor Günter Rubrichter y el profesor Yuri Souchorsky muestran que las cosas son en realidad más complicadas: bajo ciertas condiciones, el acoplamiento espacial es elevado y los lados adyacentes oscilan repentinamente a frecuencias muy diferentes, y en algunas regiones del mundo. nanopartículas, estas ‘ondas «químicas» oscilantes no se propagan en absoluto.

«Esto se puede explicar a escala atómica», dice Yuri Souchorsky. «Bajo la influencia del oxígeno, las hileras de átomos de rodio que sobresalen podrían emerger de una superficie lisa». Estas filas de átomos pueden actuar como una especie de «rompedor» y bloquear la migración de átomos de hidrógeno de una cara a la otra, separándose los lados.

Si este es el caso, los lados individuales pueden formar oscilaciones de diferentes frecuencias. «En diferentes lados, los átomos de rodio están dispuestos de manera diferente en la superficie», dice Günther Rupprechter. «Esta es la razón por la que la incorporación de oxígeno debajo de los diferentes lados de la partícula de rodio también continúa a diferentes velocidades y, por lo tanto, las oscilaciones de diferentes frecuencias conducen a diferentes aspectos de la cristalinidad».

La clave para resolver este complejo comportamiento químico es utilizar una fina punta de rodio como modelo para las nanopartículas catalíticas. Se aplica un campo eléctrico y, debido al efecto de túnel de la mecánica cuántica, los electrones pueden salir de la punta. Estos electrones se aceleran en el campo eléctrico y llegan a una pantalla, donde se crea una imagen de proyección de la punta con una resolución de aproximadamente 2 nm.

A diferencia de la microscopía, donde los sitios de la superficie se escanean uno tras otro, estas imágenes paralelas visualizan todos los átomos de la superficie simultáneamente; de ​​lo contrario, no será posible observar la sincronización y no sincronización de las oscilaciones.

Los nuevos conocimientos sobre la interacción de los aspectos individuales de las nanopartículas ahora pueden conducir a catalizadores más potentes y proporcionar conocimientos atómicos profundos sobre los mecanismos de la cinética de interacción no lineal, la formación de patrones y el acoplamiento espacial.

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Investigación financiada por el Austrian Science Fund (FWF) dentro del proyecto «Fenómenos espaciales y temporales en bibliotecas de estructuras superficiales».

Contacto

Profesor Günther Roebrecht

Instituto de Química de Materiales

TU Viena

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una. Yuri Schorsky

Instituto de Química de Materiales

TU Viena

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