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Izquierda: El estudio ha sido seleccionado para ilustrar la portada de la revista científica Small. Derecha: Investigadores en el interior de la cabina experimental de la línea de luz NCD-SWEET del Sincrotrón ALBA. De izquierda a derecha: Zhiwei Zhang (Ghent University), Matthias Minjauw (Ghent University), Matthias Filez (Ghent University - KU Leuven) y Juan Santo Domingo Peñaranda (Ghent University).
Cerdanyoal del Vallès, 2 de febrero de 2023. Los catalizadores basados en nanopartículas metálicas son eficaces en un amplio rango de procesos químicos industriales relevantes, como la producción de combustibles limpios, productos químicos y farmacéuticos o la limpieza de los gases de escape de los automóviles. Estos nanocatalizadores son clave para el futuro de la química sostenible. Aun así, suelen sufrir de sinterización, un proceso por el cual se desactivan rápidamente. Debido a este proceso, el tamaño medio de las nanopartículas aumenta, ya que esto es energéticamente más favorable para la propia nanopartícula. Sin embargo, esto disminuye su poder catalítico.
Hasta la fecha los procesos de sinterización se analizaban en la macroescala, para examinar las propiedades promedio de las nanopartículas. O bien en la microescala, estudiando nanopartículas individuales. Sin embargo, existe un vacío de conocimiento sobre el comportamiento de los nanocatalizadores en la mesoescala, la longitud intermedia entre los mundos macro y micro. En la mesoescala, grandes conjuntos de miles de nanopartículas se pueden estudiar como una “población” en la que las nanopartículas se “comunican” – interaccionan – entre ellas. En este contexto, la sinterización se puede considerar como una población dinámica de nanopartículas que interaccionan, cada una de ellas intercambiando átomos para ganar estabilidad dentro de la jerarquía de las nanopartículas.
En un estudio reciente liderado por el Sincrotrón ALBA y la Universidad de Gante (Bélgica), un equipo de investigación ha desarrollado una metodología de estudio en la que complementan el uso de varias técnicas de caracterización para analizar el proceso de sinterizado de nanopartículas de platino en la micro, meso y macroescala. En concreto utilizaron diferentes técnicas analíticas y la caracterización por dispersión de rayos-X en la línea de luz NCD-SWEET de ALBA para mostrar que son las heterogeneidades de la población de nanopartículas en la mesoescala las que conducen al proceso de sinterizado. Por lo tanto, eliminar estas heterogeneidades ayudaría a evitar las sinterización.
Este trabajo, publicado en la revista científica Small y seleccionado para ilustrar la portada del último número, ayudará a ampliar el conocimiento fundamental sobre la sinterización de nanopartículas y, por lo tanto, a diseñar mejores estrategias para la fabricación de catalizadores.
Integración de varias técnicas de caracterización
La microscopía electrónica de barrido de alta resolución (HRSEM, por sus siglas en inglés) combinada con la simulación Monte Carlo permitió estudiar la sinterización a lo largo de toda la población de nanopartículas, y a nivel de nanopartículas individuales y su ambiente local en la mesoescala, respectivamente. Los resultados mostraron que la evolución del tamaño de nanopartículas individuales depende fuertemente de su entorno en la mesoescala, en el cual las heterogeneidades en la población local generan zonas ricas en nanopartículas y zonas libres de nanopartículas durante el proceso de sinterización.
“Desarrollamos y validamos un modelo Monte Carlo enlazándolo a imágenes experimentales de las nanopartículas en su ambiente local. Este modelo mostró cómo las nanopartículas cambian durante su tiempo de vida catalítica y cómo su tamaño evoluciona mediante el intercambio de átomos con sus vecinas, o colisionando y creciendo juntas. Gracias a poder visualizar la evolución de muchas nanopartículas, pudimos clasificar varios subgrupos que se comportan de diferentes maneras. Abordar las razones que llevan a la sinterización en base a este análisis aporta directrices para futuras síntesis de catalizadores.” Detalla Matthias Filez, investigador postdoctoral en la Universidad de Gante y la KU Leuven y autor para correspondencia del artículo.
En la línea de luz NCD-SWEET del Sincrotrón ALBA se llevó a cabo la técnica in situ de dispersión de rayos X de alto ángulo por incidencia rasante (GIWAXS, por sus siglas en inglés). La técnica se aplicó por primera vez para hacer un seguimiento de la sinterización en tiempo real con sensibilidad a subpoblaciones de nanopartículas grandes y pequeñas por separado en un único experimento. Esto permitió destapar sus respectivas propiedades y comportamientos, así como su interacción dinámica mutua. Los resultados mostraron que no todas las nanopartículas dentro del subgrupo de nanopartículas pequeñas son igualmente propensas a la sinterización, esto depende de su orientación cristalográfica sobre la superficie de soporte.
“El uso de la luz de sincrotrón nos ha permitido seguir la evolución de las diferentes familias de nanopartículas al mismo tiempo que aplicamos condiciones ambientales relevantes para su aplicación en el mundo real. Esto no sería posible sin el brillante haz de rayos X de sincrotrón, ya que estaríamos ciegos frente a los cambios de las nanopartículas en tiempo real, limitando la ciencia y los avances que seríamos capaces de realizar.” Explica Eduardo Solano, científico de la línea de luz NCD-SWEET de ALBA y primer autor del artículo.
Referencia: Eduardo Solano, Jolien Dendooven, Davy Deduytsche, Nithin Poonkottil, Ji-Yu Feng, Maarten B. J. Roeffaers, Christophe Detavernier, and Matthias Filez. Metal Nanocatalyst Sintering Interrogated at Complementary Length Scales. Small (2022). DOI: 10.1002/smll.202205217
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-21-17088.
