En un avance que consideran un gran avance en la investigación de química computacional, los ingenieros químicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado un modelo de cómo funcionan las reacciones catalíticas a escala atómica. Esta comprensión podría permitir a los ingenieros y químicos desarrollar catalizadores más eficientes y ajustar los procesos industriales, potencialmente con enormes ahorros de energía, dado que el 90% de los productos que encontramos en nuestras vidas se producen, al menos parcialmente, mediante catálisis.
Los materiales catalizadores aceleran las reacciones químicas sin sufrir cambios ellos mismos. Son fundamentales para refinar productos derivados del petróleo y para la fabricación de productos farmacéuticos, plásticos, aditivos alimentarios, fertilizantes, combustibles ecológicos, productos químicos industriales y mucho más.
Los científicos e ingenieros han pasado décadas ajustando las reacciones catalíticas; sin embargo, debido a que actualmente es imposible observar directamente esas reacciones a las temperaturas y presiones extremas que a menudo se involucran en la catálisis a escala industrial, no saben exactamente qué está sucediendo en el nano. y escalas atómicas. Esta nueva investigación ayuda a desentrañar ese misterio con ramificaciones potencialmente importantes para la industria.
De hecho, solo tres reacciones catalíticas (reformado de metano con vapor para producir hidrógeno, síntesis de amoníaco para producir fertilizantes y síntesis de metanol) utilizan cerca del 10% de la energía mundial.
«Si disminuyes las temperaturas a las que tienes que ejecutar estas reacciones solo unos pocos grados, habrá una enorme disminución en la demanda de energía que enfrentamos hoy como humanidad», dice Manos Mavrikakis, profesor de ingeniería química y biológica en la UW-Madison, quien dirigió la investigación. «Al disminuir las necesidades de energía para ejecutar todos estos procesos, también está disminuyendo su huella ambiental».
Mavrikakis y los investigadores postdoctorales Lang Xu y Konstantinos G. Papanikolaou, junto con la estudiante graduada Lisa Je, publicaron la noticia de su avance en la edición del 7 de abril de 2023 de la revista. Ciencia.
En su investigación, los ingenieros de UW-Madison desarrollan y utilizan poderosas técnicas de modelado para simular reacciones catalíticas a escala atómica. Para este estudio, observaron reacciones que involucran catalizadores de metales de transición en forma de nanopartículas, que incluyen elementos como platino, paladio, rodio, cobre, níquel y otros importantes en la industria y la energía verde.
De acuerdo con el modelo actual de catálisis de superficie rígida, los átomos estrechamente empaquetados de los catalizadores de metales de transición proporcionan una superficie 2D a la que se adhieren los reactivos químicos y participan en las reacciones. Cuando se aplica suficiente presión y calor o electricidad, los enlaces entre los átomos de los reactivos químicos se rompen, lo que permite que los fragmentos se recombinen en nuevos productos químicos.
«La suposición predominante es que estos átomos metálicos están fuertemente unidos entre sí y simplemente proporcionan ‘puntos de aterrizaje’ para los reactivos. Lo que todos han asumido es que los enlaces metal-metal permanecen intactos durante las reacciones que catalizan», dice Mavrikakis. «Así que aquí, por primera vez, hicimos la pregunta: ‘¿Podría la energía para romper los enlaces en los reactivos ser de cantidades similares a la energía necesaria para romper los enlaces dentro del catalizador?'».
Según el modelo de Mavrikakis, la respuesta es sí. La energía proporcionada para que se lleven a cabo muchos procesos catalíticos es suficiente para romper los enlaces y permitir que los átomos de un solo metal (conocidos como adatomos) se suelten y comiencen a viajar por la superficie del catalizador. Estos adatoms se combinan en grupos, que sirven como sitios en el catalizador donde las reacciones químicas pueden tener lugar mucho más fácilmente que la superficie rígida original del catalizador.
Utilizando un conjunto de cálculos especiales, el equipo analizó interacciones industrialmente importantes de ocho catalizadores de metales de transición y 18 reactivos, identificando los niveles de energía y las temperaturas que probablemente formen grupos de metales tan pequeños, así como la cantidad de átomos en cada grupo, que también puede afectan dramáticamente las velocidades de reacción.
Sus colaboradores experimentales en la Universidad de California, Berkeley, utilizaron microscopía de túnel de barrido resuelta atómicamente para observar la adsorción de monóxido de carbono en el níquel (111), una forma cristalina y estable de níquel útil en la catálisis. Sus experimentos confirmaron modelos que mostraban varios defectos en la estructura del catalizador que también pueden influir en cómo se sueltan los átomos metálicos individuales, así como en cómo se forman los sitios de reacción.
Mavrikakis dice que el nuevo marco está desafiando la base de cómo los investigadores entienden la catálisis y cómo se lleva a cabo. También puede aplicarse a otros catalizadores no metálicos, que investigará en trabajos futuros. También es relevante para comprender otros fenómenos importantes, como la corrosión y la tribología, o la interacción de las superficies en movimiento.
«Estamos revisando algunas suposiciones muy bien establecidas para comprender cómo funcionan los catalizadores y, en términos más generales, cómo interactúan las moléculas con los sólidos», dice Mavrikakis.
Manos Mavrikakis es presidente distinguido de Ernest Micek, profesor James A. Dumesic y profesor de logros distinguidos de Vilas en ingeniería química y biológica en la Universidad de Wisconsin-Madison.
Otros autores incluyen a Barbara AJ Lechner de la Universidad Técnica de Munich, y Gabor A. Somorjai y Miquel Salmeron del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley.
Los autores agradecen el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., Ciencias Básicas de la Energía, División de Ciencias Químicas, Programa de Ciencias de Catálisis, Subvención DE-FG02-05ER15731; la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencias e Ingeniería de Materiales, del Departamento de Energía de EE.UU. bajo el contrato no. DE-AC02-05CH11231, a través del programa Interfaces de Estructura y Dinámica de Materiales (FWP KC31SM).
Mavrikakis reconoce el apoyo financiero del Instituto Miller en UC Berkeley a través de una cátedra Miller visitante con el Departamento de Química.
El equipo también utilizó el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE respaldada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE.
Parte del trabajo computacional se llevó a cabo utilizando recursos de supercomputación en el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional de Argonne, respaldada por el contrato DE-AC02-06CH11357 del DOE.
