Un esfuerzo de investigación conjunto 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 producido hallazgos innovadores en el campo de la fabricación catalítica. La investigación del equipo, publicada ahora en la revista de acceso abierto ACS Central Science, proporciona conocimientos sin precedentes sobre el papel de las fracciones de electrones en los procesos catalíticos, especialmente con metales preciosos como el oro, la plata y el platino.
Los catalizadores son esenciales en varias aplicaciones industriales porque reducen significativamente la energía necesaria para las reacciones químicas, mejorando la eficiencia de la producción en múltiples sectores, incluidos los farmacéuticos, la producción de baterías y las actividades petroquímicas como la refinación de petróleo crudo. A medida que aumenta la demanda global, mejorar la velocidad, la confiabilidad y el control de estos procesos catalíticos se ha convertido en un enfoque crítico para las industrias involucradas en combustibles, productos químicos y materiales.
La investigación aborda una cuestión de larga data sobre cómo interactúan las moléculas con las superficies catalíticas, examinando específicamente el intercambio de electrones entre las moléculas y los metales. Durante esta interacción, las moléculas se estabilizan temporalmente, permitiendo 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 habían realizado mediciones cuantificables.
El método innovador que han desarrollado los investigadores, denominado titulación de electrones isopopotenciales (IET), permite la medición directa de fracciones de electrones. Estos avances proporcionan 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 y tangible de la unión de la superficie en condiciones catalíticamente relevantes.
La medición precisa de la transferencia de electrones es fundamental para determinar la eficacia de un catalizador porque las moléculas que pueden compartir electrones fácilmente tienden a unirse más fuertemente y reaccionar más fácilmente. Aunque los metales preciosos son conocidos por sus capacidades óptimas para compartir electrones, el hecho de que este intercambio ahora se haya capturado cuantitativamente abre nuevas posibilidades para el diseño de catalizadores.
La técnica IET permite a los investigadores evaluar y comparar directamente diferentes formulaciones de catalizadores, acelerando el descubrimiento de materiales prometedores para diferentes aplicaciones. Omar Abdelrahman, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, destacó cómo la IET permite medir el intercambio de electrones a niveles increíblemente pequeños, ilustrando incluso cómo un átomo de hidrógeno transfiere sólo el 0,2% de un electrón cuando se une al platino y, sin embargo, esta fracción aparentemente pequeña es crucial para las reacciones químicas industriales.
La llegada de la nanotecnología al desarrollo de catalizadores, combinada con herramientas avanzadas de aprendizaje automático que pueden analizar amplios conjuntos de datos, ha ampliado el repertorio de materiales catalíticos conocidos. IET complementa estos desarrollos al permitir la investigación del comportamiento de los catalizadores a un nivel electrónico fundamental, aumentando la comprensión de nuevas tecnologías catalíticas potenciales.
Paul Dauenhauer, director del Centro de Catálisis de Energía Programable de la Universidad de Minnesota, destaca que la investigación básica siempre ha impulsado los avances en las tecnologías catalíticas. El descubrimiento de la distribución fraccionaria de electrones crea un nuevo marco científico que podría guiar el desarrollo de tecnologías energéticas en las próximas décadas.
Esta investigación se alinea 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., que se enfoca en la creación de tecnologías catalíticas de próxima generación. Establecido en 2022, el Centro tiene como objetivo promover la producción de materiales, productos químicos y combustibles a través de innovadores sistemas catalizadores dinámicos, contribuyendo así al futuro de la producción sostenible.
