Un equip dirigit pel professor Jordi Llorca, de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), ha descobert que els àtoms reaccionen de manera diferent en funció de les característiques del catalitzador que es faci servir.
En l’estudi, que representa un pas molt important pel disseny de nous catalitzadors amb aplicacions en el camp de l’energia, han participat l’estudiant de doctorat de la UPC Núria Jiménez Divins, els investigadors Carlos Escudero i Virginia Pérez-Dieste, del sincrotró ALBA, on s’ha dut a terme una part de l’experiment, i la investigadora Inma Angurell, de la Universitat de Barcelona, que ha sintetitzat les nanopartícules utilitzades. Els catalitzadors, utilitzats en el 95 % dels processos industrials i per eliminar la contaminació dels gasos que emeten els vehicles amb motors de combustió, són les substàncies que fan que les reaccions químiques vagin més ràpid.
El cos humà també en té centenars, però en forma d’enzims. Des del punt de vista energètic, la funció del catalitzador és reduir l’energia necessària per activar aquestes reaccions. Ara, un equip d’investigadors encapçalat per Jordi Llorca, del Centre de Recerca en Nanoenginyeria (CRnE) i de l’Institut de Tècniques Energètiques (INTE) ─ambdós de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)─ ha estat capaç de descobrir com es mouen els àtoms en un catalitzador real, i ha demostrat que aquests reaccionen de forma diferent en funció del tipus de suport que es fa servir.
Aquesta investigació obre la porta al disseny de nous catalitzadors a mida per a aplicacions energètiques i industrials i per a l’eliminació de gasos contaminants.
Catalitzadors a mida
El catalitzador que han escollit els investigadors conté nanopartícules metàl·liques (de rodi i pal·ladi) preparades pel grup Dendrímers i Polígons Moleculars de la UB que s’han fixat a un suport d’òxid de ceri. Aquest catalitzador és molt eficient en la producció d’hidrogen, un producte que pot substituir l’ús dels combustibles fòssils abans no s’esgotin i permetre canviar el model energètic actual per un de més sostenible i respectuós amb el medi ambient.
En aquest sentit, Jordi Llorca explica que els resultats d’aquesta recerca faciliten el camí per obtenir hidrogen de la forma més eficient possible, concretament a partir d’aigua i bioetanol, un recurs renovable i econòmic que s’obté fàcilment a partir de residus forestals i deixalles agrícoles. Com explica Llorca, un símil per entendre aquest procés més eficient seria buscar el millor camí per travessar una muntanya: “El camí més curt és pujar per un vessant del cim i baixar per l’altre, però aquesta opció és la que requereix l’ús de més energia. Si trobem el lloc més idoni per donar la volta a la muntanya, tot i que sembli més llarg, requerirà menys ús d’energia i, per tant, la travessarem més ràpid”.
Un pas per trobar aquest camí és conèixer com es comporten realment els àtoms i les nanopartícules en un catalitzador, i comprovar si sempre ho fan de la mateixa manera. Per fer aquest experiment, els investigadors han utilitzat la línia de llum CIRCE del sincrotró ALBA, a Cerdanyola del Vallès, i concretament la tècnica d’espectroscòpia de fotoemissió a pressió propera a l’ambient, NAPP (de l’anglès Near Ambient Pressure Photoemission). Aquesta tècnica va ser desenvolupada pel grup del professor Miquel Salmerón a inicis del 2000 al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, Califòrnia, Estats Units). Única a Espanya i només disponible a vuit sincrotrons a tot el món, l’estació experimental de NAPP del sincrotró ALBA va entrar en funcionament el setembre de 2013 i es va estrenar amb aquest experiment.
Fins ara, els investigadors havien aconseguit saber què passava quan les molècules d’aigua i etanol s’escalfen a 550 graus centígrads, a la càmera d’espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) del Centre de Recerca en Nanoenginyeria (CRnE) de la UPC. Però gràcies a l’ús del sincrotró ALBA, els investigadors han pogut conèixer amb més precisió el moviment dels àtoms en les nanopartícules en el moment de les reaccions químiques (és a dir, in operando), i han descobert que aquestes nanopartícules tenen un comportament diferent segons les característiques del suport del catalitzador, que poden afectar tant a la seva composició, com a la forma, com a la nanoestructura.
“És a dir”, especifica Jordi Llorca, “les nanopartícules saben on estan suportades i reaccionen en conseqüència”. Amb aquest descobriment, especifica Llorca, “s’obre la porta a dissenyar catalitzadors a mida i més eficients, ja que poden desenvolupar-se o adaptar-se als dispositius ja existents tenint en compte el procés pel qual es requereixen”.
En el cas de la producció de l’hidrogen, aquest equip investigador ha descobert que per produir-lo cal que els àtoms del catalitzador estiguin en unes posicions determinades. Aquestes posicions permeten l’intercanvi d’electrons de forma adequada entre les nanopartícules metàl·liques i el suport d’òxid de ceri en el moment que es trenquen i formen nous enllaços químics per produir l’hidrogen.
En el cas, per exemple, dels vehicles que utilitzen motors de combustió (cotxes, motos, avions, vaixells, etc..), que ja utilitzen catalitzadors amb òxid de ceri, es podrien dissenyar nanoformes o nanoestructures noves, o inclús adaptar els ja existent perquè siguin més eficients energèticament.
L’estudi, titulat “Influence of the support on surface rearrangements of bimetallic nanoparticles in real catalysts”, es publica el 31 d’octubre a la revista Science i els investigadors principals que signen el treball són Jordi Llorca i Núria Jiménez Divins (UPC). També hi han participat Inma Angurell (UB) i Carlos Escudero i Virginia Pérez-Dieste (ALBA).
Títol de l’article: “Influence of the support on surface rearrangements of bimetallic nanoparticles in real catalysts”. Manuscript Number: Science.1258106
Enllaços d’interès:
Science: http://www.sciencemag.org/content/current
INTE-UPC: http://inte.upc.edu/
Sincrotó de llum ALBA: http://www.albasynchrotron.es/ca/
Grup de Dendrímers i Polígons Moleculars: http://www.ub.edu/inorgani/recerca/dpm/