Nanopartículas para diseñar catalizadores a medida y más eficientes

Los catalizadores, utilizados en el 95% de los procesos industriales y para eliminar la contaminación de los gases que emiten los vehículos con motores de combustión, son las sustancias que hacen que las reacciones químicas vayan más rápido. 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 encabezado por Jordi Llorca, del Centro de Investigación en Nanoingeniería (CRnE) y del Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) –ambos de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)– ha sido capaz de descubrir cómo se mueven los átomos en un catalizador real, y ha demostrado que éstos reaccionan de forma diferente en función del tipo de soporte que se utiliza.

Esta investigación, cuyos detalles se publican en la revista Science, abre la puerta al diseño de nuevos catalizadores a medida para aplicaciones energéticas e industriales y para la eliminación de gases contaminantes.

El catalizador que han escogido los investigadores contiene nanopartículas metálicas (de rodio y paladio), preparadas por el grupo de Dendrímeros y Polígonos Moleculares de la Universidad de Barcelona, 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 el uso de los combustibles fósiles antes de que se agoten y permitir cambiar el modelo energético actual por uno más sostenible y respetuoso con el medio ambiente.

En este sentido, Jordi Llorca explica que los resultados de esta investigación facilitan el camino para obtener hidrógeno de la forma 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.

Como explica Llorca, un símil para entender este proceso más eficiente sería buscar el mejor camino para atravesar una montaña: "El camino más corto es subir por una ladera de la cima y bajar por el otro, pero esta opción es la que requiere el uso de más energía. Si encontramos el lugar más idóneo para dar la vuelta a la montaña, aunque parezca más largo, requerirá menos uso de energía y, por lo tanto, la atravesaremos más rápido".

Un paso para encontrar este camino es conocer cómo se comportan realmente los átomos y las nanopartículas en un catalizador, y comprobar si siempre lo hacen de la misma manera. Para realizar este experimento, los investigadores han utilizado la línea de luz CIRCE del sincrotrón ALBA, en Cerdanyola del Vallès, y concretamente la técnica de espectroscopia de fotoemisión a presión cercana a la ambiente, Nappa (del inglés Near Ambiente Pressure Photoemission ).

Esta técnica fue desarrollada por el grupo del profesor Miquel Salmerón a inicios del 2000 al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, California, EE UU). Única en España y sólo disponible en ocho sincrotrones en todo el mundo, la estación experimental de Nappa del sincrotrón ALBA entró en funcionamiento en septiembre de 2013 y se estrenó con este experimento.

La ayuda del sincrotrón ALBA

Hasta ahora, los investigadores habían logrado saber qué pasaba cuando las moléculas de agua y etanol se calientan a 550 grados centígrados, en la cámara de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) del Centro de Investigación en Nanoingeniería (CRnE) de la UPC. Pero gracias al uso del sincrotrón ALBA, los investigadores han podido conocer con más precisión el movimiento de los átomos en las nanopartículas en el momento de las reacciones químicas, y han descubierto que estas nanopartículas tienen un comportamiento diferente según las características del soporte del catalizador, que pueden afectar tanto a su composición, como a la forma o la nanoestructura.

"Es decir, las nanopartículas saben dónde están soportadas y reaccionan en consecuencia", dice el investigador, que destaca que 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 por el que se requieren".

En el caso de la producción del hidrógeno, el equipo ha descubierto 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 que se rompen y forman nuevos enlaces químicos para producir el hidrógeno.

En el caso, por ejemplo, de los vehículos que utilizan motores de combustión (como coches, motos, aviones o barcos), que ya utilizan catalizadores con óxido de cerio, se podrían diseñar nanoformas o nanoestructuras nuevas, o incluso adaptar los ya existente para que sean más eficientes energéticamente.

Referencia bibliográfica:

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.