Científicos miden fracción de electrón y resuelven enigma de la catálisis

Un equipo de investigación de la Universidad de Minnesota y de la Universidad de Houston logró identificar y medir la fracción de un electrón involucrada en la fabricación catalítica. Este avance, publicado en la revista ACS Central Science, aclara por qué metales preciosos como el oro, la plata y el platino son tan efectivos en procesos catalíticos, abriendo nuevas posibilidades para diseñar materiales catalíticos avanzados.

Importancia de los Catalizadores en la Industria Moderna

Los catalizadores industriales, que son sustancias que reducen la energía necesaria para una reacción química, permiten a los fabricantes aumentar la velocidad, el rendimiento o la eficiencia en la producción de materiales clave. Su papel es crucial en campos que van desde la farmacéutica y las baterías hasta operaciones petroquímicas como el refinado de petróleo, facilitando que los sistemas de producción satisfagan la demanda global.

Mejorar la velocidad, la fiabilidad y el control de los catalizadores se ha convertido en un objetivo principal para los sectores de combustibles, químicos y materiales. A medida que estas industrias crecen, la carrera por desarrollar sistemas catalíticos más eficientes y de menor costo se intensifica en todo el mundo.

Descubriendo Cómo las Moléculas Comparten Electrones con los Metales

Cuando las moléculas encuentran una superficie catalítica, intercambian una parte de sus electrones con el metal (en este caso, oro, plata o platino). Esta interacción estabiliza temporalmente las moléculas, permitiendo que las reacciones avancen. Aunque los científicos sospecharon este comportamiento durante más de 100 años, nunca se había medido directamente la pequeña fracción de electrón involucrada.

Investigadores del Centro de Catálisis Energética Programable, con sede en la Universidad de Minnesota, demostraron que este intercambio de electrones puede medirse directamente utilizando una técnica que crearon llamada Titulación Electrónica Isopotencial (IET).

Una Visión Más Clara del Comportamiento de los Catalizadores

"Medir fracciones de un electrón a estas escalas increíblemente pequeñas proporciona la visión más clara hasta ahora del comportamiento de las moléculas en los catalizadores", afirmó Justin Hopkins, estudiante de doctorado en ingeniería química de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. "Históricamente, los ingenieros de catalizadores se basaron en mediciones más indirectas en condiciones idealizadas para entender las moléculas en las superficies. En cambio, este nuevo método de medición proporciona una descripción tangible del enlace superficial en condiciones relevantes para la catálisis".

Conocer exactamente cuánto se transfiere de electrones en una superficie catalizadora es esencial para entender cuán efectivamente funcionará. Las moléculas que comparten más fácilmente sus electrones tienden a unirse más fuertemente y reaccionar más fácilmente. Los metales preciosos logran el nivel ideal de intercambio de electrones necesario para impulsar reacciones catalíticas, pero la escala precisa de este intercambio nunca se había capturado directamente hasta ahora.

IET como Nueva Herramienta para el Descubrimiento de Catalizadores

La técnica IET puede utilizarse ahora para describir y comparar directamente nuevas formulaciones de catalizadores, ayudando a los investigadores a identificar materiales prometedores más rápidamente.

"IET nos permitió medir la fracción de un electrón que se comparte con una superficie catalizadora en niveles incluso inferiores al uno por ciento, como en el caso de un átomo de hidrógeno en catalizadores de platino", explicó Omar Abdelrahman, autor correspondiente y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Houston. "Un átomo de hidrógeno cede solo el 0.2% de un electrón al unirse a catalizadores de platino, pero es ese pequeño porcentaje el que hace posible que el hidrógeno reaccione en la fabricación química industrial".

Conectando Nanotecnología, Aprendizaje Automático y Catálisis

El rápido crecimiento de las técnicas de nanotecnología para construir catalizadores, combinado con herramientas de aprendizaje automático que pueden buscar y analizar vastos conjuntos de datos, ya ha ampliado el catálogo de materiales catalíticos conocidos. IET proporciona un tercer enfoque complementario al permitir a los investigadores examinar el comportamiento de los catalizadores directamente a nivel electrónico fundamental.

"La base para nuevas tecnologías catalíticas para la industria siempre ha sido la investigación básica fundamental", afirma Paul Dauenhauer, profesor distinguido y director del Centro de Catálisis Energética Programable en la Universidad de Minnesota. "Este nuevo descubrimiento de la distribución fraccionaria de electrones establece una base científica completamente nueva para entender los catalizadores que creemos impulsará nuevas tecnologías energéticas en las próximas décadas".

Parte de una Iniciativa Nacional Más Amplia

Este descubrimiento respalda la misión más amplia del Centro de Catálisis Energética Programable, uno de los Centros de Investigación de Frontera Energética del Departamento de Energía de EE. UU. Desde su lanzamiento en 2022, el Centro ha trabajado para desarrollar tecnologías catalíticas de próxima generación destinadas a producir materiales, productos químicos y combustibles a través de sistemas catalíticos dinámicos avanzados.