El complejo ritmo de la química

La mayoría de los productos químicos comerciales se producen mediante catalizadores. Por lo general, estos catalizadores consisten en diminutas nanopartículas de metal colocadas sobre un soporte oxidado. Similar a un diamante tallado, cuya superficie está formada por facetas orientadas en diferentes direcciones, una nanopartícula catalítica también tiene facetas cristalográficamente diferentes, y estas facetas pueden tener diferentes propiedades químicas.

Hasta ahora, estas diferencias a menudo se han pasado por alto en la investigación de catálisis porque es muy difícil obtener información sobre los catalizadores simultáneamente. químico reacción en sí y en la estructura superficial del catalizador. À TU Wien (Vienne), cela a maintenant été réalisé en combinant différentes méthodes microscopiques: avec l’aide de la microscopie électronique de champ et de la microscopie ionique de champ, il est devenu possible de visualiser l’oxydation de l’hydrogène sur un solo rodio nanopartícula en tiempo real a resolución nanométrica. Esto ha revelado algunos efectos sorprendentes que deberán tenerse en cuenta en la búsqueda de mejores catalizadores en el futuro. Los resultados ahora se han presentado en la revista científica La ciencia.

El ritmo de las reacciones químicas.

«En algunos reacciones químicas, un catalizador puede cambiar periódicamente entre un estado activo y un estado inactivo «, explica el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales de TU Wien.» Pueden producirse oscilaciones químicas autosostenidas entre los dos estados: el químico Gerhard Ertl recibió el Nobel Premio de Química por este descubrimiento en 2007 «.

Este también es el caso de nanopartículas de rodio, que se utilizan como catalizador para la oxidación del hidrógeno, la base de cualquier pila de combustible. Bajo ciertas condiciones, el nanopartículas puede oscilar entre un estado en el que moléculas de oxigeno disociar en la superficie de la partícula y en un estado en el que el hidrógeno está unido.

El oxígeno incorporado modifica el comportamiento de la superficie

«Cuando una 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 luego migrar debajo de la capa superior de rodio y acumularse allí en forma de oxígeno subterráneo ”, explica el profesor Yuri Suchorski, primer autor del estudio.

Gracias a la interacción con el hidrógeno, estos átomos de oxígeno almacenados pueden identificarse nuevamente y reaccionar con los átomos de hidrógeno. Entonces todavía hay espacio para más átomos de oxígeno dentro de la partícula de rodio y el ciclo comienza de nuevo. “Este mecanismo de retroalimentación controla la frecuencia de las oscilaciones”, explica Yuri Suchorski.

Hasta ahora, se pensaba que estas oscilaciones químicas siempre se producían sincrónicamente al mismo ritmo en toda la nanopartícula. Después de todo, los procesos químicos en las diferentes facetas de la superficie de la nanopartícula están acoplados espacialmente, ya que los átomos de hidrógeno pueden migrar fácilmente de una faceta a facetas adyacentes.

Sin embargo, los resultados del grupo de investigación del profesor Günther Rupprechter y el profesor Yuri Suchorski muestran que las cosas son en realidad mucho más complejas: bajo ciertas condiciones, el acoplamiento espacial se eleva y las facetas adyacentes oscilan repentinamente con frecuencias notablemente diferentes, y en algunas regiones de la nanopartícula, estas «ondas químicas» oscilantes no se propagan en absoluto.

“Esto se puede explicar a escala atómica”, explica Yuri Suchorski. «Bajo la influencia del oxígeno, las hileras de átomos de rodio que sobresalen pueden emerger de una superficie lisa». Estas filas de átomos pueden actuar como una especie de «rompe olas» y obstaculizar la migración de átomos de hidrógeno desde un faceta a otro – las facetas están desacopladas.

Si es así, las facetas individuales pueden formar oscilaciones de diferentes frecuencias. «En diferentes facetas, los átomos de rodio están dispuestos de manera diferente en la superficie», explica Günther Rupprechter. «Esta es la razón por la que la incorporación de oxígeno bajo las diferentes facetas de la partícula de rodio también tiene lugar a diferentes velocidades y, por lo tanto, las oscilaciones con diferentes frecuencias dan como resultado facetas cristalográficamente diferentes».

Una punta de hemisferio como modelo de nanopartículas

La clave para desentrañar este complejo comportamiento químico radica en utilizar una punta fina de rodio como plantilla para una nanopartícula catalítica. Se aplica un campo eléctrico y, debido al efecto túnel de la mecánica cuántica, los electrones pueden salir de la punta. Estos electrones se aceleran en el campo eléctrico y golpea una pantalla, donde se crea una imagen de proyección de la punta con una resolución de aproximadamente 2 nanómetros.

A diferencia de las microscopías de barrido, donde los sitios de la superficie se exploran uno tras otro, estas imágenes paralelas visualizan todos área átomos simultáneamente, de lo contrario no sería posible monitorear la sincronización y desincronización de las oscilaciones.

El nuevo conocimiento sobre la interacción de las facetas individuales de una nanopartícula ahora puede conducir a catalizadores más eficientes y proporcionar información atómica detallada sobre los mecanismos de la cinética de reacción no lineal, patrones y acoplamiento espacial.