Un equipo de investigadores del sector de la energía dirigido por la Universidad de Minnesota Twin Cities ha inventado un innovador dispositivo que convierte electrónicamente un metal para que se comporte como otro y lo utilice como catalizador para acelerar las reacciones químicas.
El dispositivo fabricado, denominado «condensador catalítico», es el primero que demuestra que los materiales alternativos modificados electrónicamente para proporcionar nuevas propiedades pueden dar lugar a un procesamiento químico más rápido y eficaz.
El invento abre la puerta a nuevas tecnologías catalíticas que utilicen catalizadores de metales no preciosos para aplicaciones importantes como el almacenamiento de energía renovable, la fabricación de combustibles renovables y la fabricación de materiales sostenibles.
La investigación se ha publicado en línea en JACS Au, la principal revista de acceso abierto de la Sociedad Química Americana, donde fue seleccionada como publicación del Editor. El equipo también está trabajando con la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Universidad de Minnesota y tiene una patente provisional sobre el dispositivo.
El procesamiento químico del último siglo se ha basado en el uso de materiales específicos para promover la fabricación de productos químicos y materiales que utilizamos en nuestra vida cotidiana. Muchos de estos materiales, como los metales preciosos rutenio, platino, rodio y paladio, tienen propiedades electrónicas superficiales únicas. Pueden actuar como metales y como óxidos metálicos, por lo que son fundamentales para controlar las reacciones químicas.
El público en general está probablemente más familiarizado con este concepto en relación con el aumento de los robos de convertidores catalíticos en los coches. Los catalizadores son valiosos por el rodio y el paladio que contienen. De hecho, el paladio puede ser más caro que el oro.
Estos costosos materiales suelen escasear en todo el mundo y se han convertido en un gran obstáculo para el avance de la tecnología.
Para desarrollar este método de ajuste de las propiedades catalíticas de materiales alternativos, los investigadores se basaron en sus conocimientos sobre el comportamiento de los electrones en las superficies. El equipo probó con éxito una teoría según la cual añadir y quitar electrones a un material podía convertir el óxido metálico en algo que imitara las propiedades de otro.
«Los átomos realmente no quieren cambiar su número de electrones, pero nosotros inventamos el dispositivo condensador catalítico que nos permite ajustar el número de electrones en la superficie del catalizador», dijo Paul Dauenhauer, becario MacArthur y profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales de la Universidad de Minnesota que dirigió el equipo de investigación. «Esto abre una oportunidad totalmente nueva para controlar la química y hacer que materiales abundantes actúen como materiales preciosos».
El dispositivo condensador catalítico utiliza una combinación de películas nanométricas para mover y estabilizar los electrones en la superficie del catalizador. Este diseño tiene el mecanismo único de combinar metales y óxidos metálicos con grafeno para permitir un flujo rápido de electrones con superficies sintonizables para la química.
«Utilizando varias tecnologías de película fina, combinamos una película a escala nanométrica de alúmina fabricada a partir de un abundante metal de aluminio de bajo coste con grafeno, que luego pudimos afinar para que adoptara las propiedades de otros materiales», explica Tzia Ming Onn, investigadora posdoctoral de la Universidad de Minnesota que fabricó y probó los condensadores catalíticos. «La capacidad sustancial de afinar las propiedades catalíticas y electrónicas del catalizador superó nuestras expectativas».
El diseño del condensador catalítico tiene una amplia utilidad como dispositivo de plataforma para una serie de aplicaciones de fabricación. Esta versatilidad se debe a su fabricación nanométrica, que incorpora el grafeno como componente de la capa superficial activa.
El poder del dispositivo para estabilizar electrones (o la ausencia de electrones llamados «huecos») es sintonizable con la variación de la composición de una capa interna fuertemente aislante. La capa activa del dispositivo también puede incorporar cualquier material catalizador de base con aditivos adicionales, que pueden ajustarse para conseguir las propiedades de materiales catalíticos caros.
«Consideramos que el condensador catalítico es una tecnología de plataforma que puede aplicarse a una gran cantidad de aplicaciones de fabricación», afirma Dan Frisbie, profesor y director del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota y miembro del equipo de investigación. «Las ideas centrales del diseño y los componentes novedosos pueden modificarse para casi cualquier química que podamos imaginar».
El equipo tiene previsto continuar su investigación sobre condensadores catalíticos aplicándola a los metales preciosos para algunos de los problemas más importantes de sostenibilidad y medio ambiente. Con el apoyo financiero del Departamento de Energía de EE.UU. y la Fundación Nacional de la Ciencia, ya están en marcha varios proyectos paralelos para almacenar electricidad renovable como amoníaco, fabricar las moléculas clave de los plásticos renovables y limpiar flujos de residuos gaseosos.
La invención experimental del condensador catalítico forma parte de una misión más amplia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y este trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, programa de catálisis de ciencias energéticas básicas a través de la subvención #DE-SC0021163.
El apoyo adicional para fabricar y caracterizar los dispositivos condensadores catalíticos fue proporcionado por el programa CBET-Catálisis de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (Premio #1937641) y el programa MRSEC DMR-2011401. Los donantes Keith y Amy Steva también aportaron financiación. El trabajo de microscopía electrónica se llevó a cabo en la Instalación de Caracterización de la Universidad de Minnesota.
También participaron en el estudio investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst y de la Universidad de California en Santa Bárbara.
Noticia tomada de: Science Daily / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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