Cerdanyola del Vallès, 22 de juliol de 2019. La cerca dels millors catalitzadors de la indústria és una història llarga, però un nou estudi de la Universidade Federal do Rio Grande do Sul, al Brasil, en col·laboració amb el Sincrotró ALBA, ha fet un pas endavant. Per primera vegada, els investigadors han trobat evidències que sobre quin podria ser l'origen de l'efecte SMSI en catalitzadors suportats en òxid de ceri.
Els catalitzadors s'utilitzen per augmentar la velocitat de reacció d'una reacció química concreta i tenen aplicacions en una gran varietat de camps. En la catàlisi heterogènia, el catalitzador sol estar compost de nanopartícules metàl·liques suportades en òxids metàl·lics. Entre ells, els catalitzadors a base de CeO2 han demostrat una estructura i unes propietats atòmiques úniques per a la indústria mediambiental d'avantguarda de les piles de combustible i hidrogen. En aquest camp, s'exploren com a reactors fotocatalítics d'alta gama per a la divisió tèrmica de l'aigua i el diòxid de carboni. Tanmateix, l'anomenat efecte SMSI pot posar en perill aquestes desitjades propietats.
Actualment, l'efecte de la interacció forta metall-suport (SMSI) és objecte d'una intensa investigació ja que té una influència directa en el rendiment dels catalitzadors. L'efecte SMSI es pot identificar per la presència d'una capa de recobriment del suport a la superfície de les nanopartícules durant el tractament de reducció. En aquest treball, s'han estudiat amb un detall sense precedents els catalitzadors formats per nanopartícules bimetàl·liques de Cu-Ni suportades en òxid de ceri i s'han descobert els canvis electrònics que es produeixen quan s'exposen a condicions reals.
Els resultats, publicats a ACS Applied Nano Materials, demostren que la interacció dels àtoms de Ce de la capa de recobriment amb els àtoms de Cu i Ni depèn de l'estat d'oxidació del Ce, és a dir, de l'atmosfera circumdant, així com de la concentració de Cu.
La creació d'una capa de recobriment sobre la superfície de les nanopartícules es produeix durant el tractament de reducció que activa el catalitzador i normalment debilita la potència catalítica. Aquesta capa de recobriment es pot eliminar després amb una atmosfera oxidant però l'efecte sobre la reactivitat i l'estabilitat del catalitzador ja s'haurà produït.
Ús de l'estació NAPP de l'ALBA per a explorar els àtoms de Cu-Ni a diferents profunditats
Les mesures es van dur a terme a la línia de llum CIRCE de l'ALBA, dedicada a l'espectroscòpia de fotoemissió. En concret, els científics van fer servir l'estació de fotoemissió a pressió propera a l'ambient (NAPP, de l'anglès Near Ambient Pressure Photoemission).
Els resultats van demostrar una concentració més alta d'àtoms de Cu a la superfície després d'exposar-los a una atmosfera reductora, i per tant, una migració d'aquests àtoms dins del nanomaterial bimetàl·lic. Es van fer mesures similars després d'exposar el catalitzador a una atmosfera de CO2 oxidant. Com era d'esperar, en aquella ocasió, la proporció de Cu/Ni va disminuir, cosa que es pot explicar per la migració dels àtoms de Ni a la superfície del catalitzador.
Aquest efecte de migració, juntament amb el canvi en l'estat d'oxidació del Ce, de Ce(IV) a Ce(III), contribueix a explicar la natura precisa de l'efecte SMSI entre la capa de recobriment i les nanopartícules bimetàl·liques, que inactiva àrees de la superfície del catalitzador només per a compostos per sobre d'una certa concentració de Cu.
Aquest estudi descriu per primera vegada els processos atòmics subjacents que causen l'efecte SMSI en nanopartícules de Cu-Ni suportades en CeO2, i que apunten a la naturalesa d'aquest efecte sobre els catalitzadors de nanopartícules.
Els catalitzadors heterogenis es poden reciclar més fàcilment, però la seva caracterització i optimització és sovint tot un repte. Entendre millor l'efecte SMSI ens portarà cap a una nova generació de catalitzadors intel·ligents, més selectius, estables i sostenibles. "Esperem, sobre la base d'aquests resultats, poder desenvolupar millors catalitzadors per a la generació de combustible en la reacció de dissociació del CO2, que ajudaran també en els esforços actuals contra el problema de l'escalfament global", diu Fabiano Bernardi, investigador del Laboratório de Física de Nanoestruturas de la Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Brasil).
Fig. L'espectroscòpia de fotoemissió de raigs X a pressió propera a l'ambient va permetre la identificació dels components químics de les nanopartícules in situ.
