Las altas temperaturas transforman nanopartículas en catalizadores monoatómicos

De una forma que puede ser descrita como coger el toro por los cuernos, unos investigadores han aprovechado un proceso que normalmente destruye los catalizadores metálicos soportados para fabricar otros con mayor estabilidad y compuestos por átomos de platino aislados soportados en un sólido (Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8800).

Esta contradictoria estrategia puede ofrecer una ruta práctica para optimizar el uso de platino y de otros metales nobles, muy caros, produciendo catalizadores monoatómicos estables.

Las diminutas partículas de platino pueden transformar productos petroquímicos, limpiar de contaminantes las emisiones de los motores, y catalizar otras reacciones. Pero cuando se exponen a altas temperaturas y condiciones oxidantes, las partículas sinterizan (un proceso de aglomeración) y forman partículas más grandes. Este proceso, conocido como maduración de Ostwald, reduce la actividad catalítica puesto que entierra a la mayor parte de los átomos en el interior de las partículas que están creciendo, desde donde no pueden catalizar las reacciones.

En lugar de evitar estas condiciones, un equipo de la Universidad de Nuevo México (Alburquerque, EEUU), liderado por el ingeniero químico Abhaya K. Datye, las ha explotado sacrificando un catalizador de nanopartículas de platino soportadas en alúmina para hacer un nuevo catalizador constituido por átomos independientes de platino soportados en óxido de cerio. Datye reveló el trabajo la semana pasada en China, en un congreso sobre catálisis monoatómica en el Instituto de Química Física de Dalian. 

A partir de estudios previos, Datye y sus colaboradores sabían que las condiciones oxidantes y de alta temperatura transforman las nanopartículas de platino en aglomerados más grandes y menos activos, puesto que el metal se transforma en PtO₂, que es volátil y se desprende de la superficie de las nanopartículas. Datye pensó que esta fuente de átomos móviles permitiría a su grupo producir catalizadores monoatómicos. "El reto surge en la forma de atrapar estos átomos individuales", comenta.

Datye y su grupo se preguntaron si el óxido de cerio podría servir como trampa atómica, puesto que otros investigadores habían demostrado que pequeñas cantidades de este óxido evitaban la fusión o el sinterizado de las nanopartículas.

Los investigadores mezclaron un catalizador de platino-lantano soportado en alúmina con varias formas de óxido de cerio y calentaron las mezclas a 800 ºC al aire durante una semana. Tras este tratamiento, la difracción de rayos-X y otros métodos mostraron la completa ausencia de nanopartículas de platino. La microscopía electrónica reveló que el platino había migrado de la alúmina, y que estaba atrapado como átomos aislados en nanohilos y octaedros de óxido de cerio a lo largo de características estructurales conocidas como aristas escalonadas. En ausencia del óxido de cerio, este tratamiento formó grandes cristales de platino en alúmina.

El equipo demostró que estos catalizadores monoatómicos eran efectivos en la oxidación de CO - una reacción clave en la limpieza de los gases provenientes de motores - y que los átomos de platino permanecían aislados durante la reacción.

"Estoy muy impresionado con este trabajo" comenta Peter C. Stair, un especialista en catálisis de la Universidad Northwestern (Illinois, EEUU) que asistió al congreso. Inventarse una manera de estabilizar átomos metálicos aislados, catalíticamente activos, en soportes sólidos tiene una gran importancia práctica para la catálisis industrial, añadió. "Apunta a estrategias para hacer que los catalizadores permanezcan estables durante años". La manera precisa mediante la que el platino permanece unido a la superficie del óxido de cerio está todavía en el aire, dice Stair. Pero esta cuestión se aplica igualmente a la mayoría de esfuerzos dedicados a preparar catalizadores monoatómicos.

Traducción al español producida por Esteban Urriolabeitia de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.