Los investigadores han inventado un dispositivo que convierte electrónicamente un metal para que se comporte como otro para usarlo como un catalizador en reacciones químicas.
El dispositivo, llamado «condensador catalítico», es el primero en demostrar que los materiales alternativos que se modifican electrónicamente para proporcionar nuevas propiedades pueden producir un procesamiento químico más rápido y eficiente.
En un papel publicado en la revista JACS Aulos científicos detrás de la innovación explican que abre la puerta a nuevas tecnologías catalíticas que utilizan catalizadores de metales no preciosos para aplicaciones como el almacenamiento de energía renovable, la fabricación de combustibles renovables y la fabricación de materiales sostenibles.
La inspiración detrás de este trabajo es lo que el grupo ve como una barrera importante para el avance de la tecnología: la escasez de rodio y paladioa nivel mundial, y sus altos precios.
Dado este estado de cosas, los investigadores decidieron usar su conocimiento de cómo se comportan los electrones en las superficies para probar una teoría que establece que agregar y quitar electrones a un material podría convertir el óxido metálico en algo que imitara las propiedades de otro.
“Los átomos realmente no quieren cambiar su número de electrones, pero inventamos el dispositivo condensador catalítico que nos permite ajustar el número de electrones en la superficie del catalizador”, Paul Dauenhauer, profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota que dirigió el equipo de investigación, dijo en un comunicado de prensa.
«Esto abre una oportunidad completamente nueva para controlar la química y hacer que los 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 de electrones rápido con superficies que son sintonizables para la química.
«Usando varias tecnologías de película delgada, combinamos una película de alúmina a nanoescala hecha de metal de aluminio abundante de bajo costo con grafeno, que luego pudimos ajustar para que adquiriera las propiedades de otros materiales», dijo Tzia Ming Onn, una investigador postdoctoral que fabricó y probó los condensadores catalíticos, dijo.
«La capacidad sustancial para ajustar las propiedades catalíticas y electrónicas del catalizador superó nuestras expectativas».
Según Dauenhauer y Onn, el diseño del condensador catalítico tiene una amplia utilidad como dispositivo de plataforma para una variedad de aplicaciones de fabricación. Esta versatilidad proviene de su fabricación nanométrica que incorpora grafeno como componente habilitador de la capa superficial activa.
Los científicos también explicaron que el poder del dispositivo para estabilizar electrones (o la ausencia de electrones llamados «agujeros») se puede ajustar con composiciones variables de una capa interna fuertemente aislante. La capa activa del dispositivo también puede incorporar cualquier material catalítico base con aditivos adicionales, que luego pueden ajustarse para lograr las propiedades de materiales catalíticos costosos.
“Vemos el condensador catalítico como una tecnología de plataforma que se puede implementar en una gran cantidad de aplicaciones de fabricación”, dijo el coautor Dan Frisbie. «Las ideas de diseño central y los componentes novedosos se pueden modificar a casi cualquier química que podamos imaginar».
El equipo planea continuar su investigación sobre condensadores catalíticos aplicándolos a metales preciosos para algunos de los problemas ambientales y de sostenibilidad más importantes.
