Cerdanyola del Vallès, 22 de julio de 2019. La búsqueda de los mejores catalizadores en la industria es larga, pero un nuevo estudio de la Universidade Federal do Rio Grande do Sul en Brasil, en colaboración con el Sincrotrón ALBA, ha dado un paso hacia delante. Por primera vez, los investigadores han encontrado evidencias sobre cuál podría ser el origen del efecto SMSI en catalizadores soportados en óxido de cerio.
Los catalizadores se utilizan para aumentar la velocidad de reacción de una reacción química concreta, y tienen aplicaciones en una gran variedad de campos. En la catálisis heterogénea, el catalizador suele estar compuesto por nanopartículas metálicas soportadas en óxidos metálicos. Entre ellos, los catalizadores basados en CeO2 han mostrado una estructura y propiedades atómicas únicas para la industria medioambiental de vanguardia de las pilas de combustible e hidrógeno. En este campo, se están explorando como reactores fotocatalíticos de alta gama para la división térmica del agua y el dióxido de carbono. Sin embargo, el llamado efecto SMSI puede poner en peligro estas deseadas propiedades.
En la actualidad, el efecto de la interacción fuerte metal-soporte (SMSI) es objeto de una intensa investigación, ya que tiene una influencia directa en el rendimiento de los catalizadores. El efecto SMSI se puede identificar por la presencia de una capa de recubrimiento del soporte en la superficie de las nanopartículas durante el tratamiento de reducción. En este trabajo, se han estudiado con un detalle sin precedentes catalizadores compuestos por nanopartículas bimetálicas de Cu-Ni soportadas en óxido de cerio, y se han descubierto los cambios electrónicos que se producen cuando se exponen a condiciones reales.
Los resultados, publicado en ACS Applied Nano Materials, muestran que la interacción de los átomos de Ce en la capa de recubrimiento con los átomos de Cu y Ni depende del estado de oxidación del Ce, es decir, de la atmósfera circundante, así como de la concentración de Cu.
La creación de una capa de recubrimiento en la superficie de las nanopartículas se produce durante el tratamiento de reducción que activa el catalizador, y suele debilitar la potencia catalítica. Esta capa de recubrimiento puede eliminarse posteriormente con una atmósfera oxidante, pero el efecto sobre la reactividad y la estabilidad del catalizador ya se habrá producido.
Uso de la estación NAPP en el ALBA para explorar átomos de Cu-Ni a diferentes profundidades
Las medidas se realizaron en la línea de luz CIRCE del Sincrotrón ALBA, dedicada a la espectroscopia de fotoemisión. En particular, los científicos utilizaron la estación de fotoemisión a presión cercana al ambiente (NAPP, del inglés Near Ambient Pressure Photoemission).
Los resultados mostraron una mayor concentración de átomos de Cu en la superficie después de exponerlos a una atmósfera reductora, y por lo tanto una migración de estos átomos dentro del nanomaterial bimetálico. Se realizaron medidas similares después de exponer el catalizador a una atmósfera de CO2 oxidante. Como era de esperar, en esa ocasión la proporción Cu/Ni disminuyó, lo que puede explicarse por la migración de los átomos de Ni a la superficie del catalizador.
Este efecto de migración, junto con el cambio de estado de oxidación del Ce, de Ce(IV) a Ce(III), contribuye a explicar la naturaleza precisa del efecto SMSI entre la capa de recubrimiento y las nanopartículas bimetálicas, que inactiva áreas de la superficie del catalizador solo para compuestos por encima de una cierta concentración de Cu.
Este estudio describe por primera vez los procesos atómicos subyacentes que causan el efecto SMSI en nanopartículas de Cu-Ni soportadas en CeO2, y que apuntan a la naturaleza de este efecto en los catalizadores de nanopartículas.
Los catalizadores heterogéneos pueden reciclarse más fácilmente, pero su caracterización y optimización es a menudo un reto. Comprender mejor el efecto SMSI es el camino para lograr una nueva generación de catalizadores inteligentes, más selectivos, estables y sostenibles. "Esperamos, sobre la base de estos resultados, poder desarrollar mejores catalizadores para generar combustible en la reacción de disociación de CO2, lo que ayudará también en los esfuerzos actuales contra el problema del calentamiento global", dice Fabiano Bernardi, investigador del Laboratório de Física de Nanoestruturas de la Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Brasil).
Fig. La espectroscopia de fotoemisión de rayos X a presión cercana al ambiente permitió la identificación de los componentes químicos de las nanopartículas in situ.
