¿Determina el orden o el desorden la catálisis?

Muy pocos procesos químicos hoy en día ocurren sin catalización. La gran mayoría de todos los procesos de fabricación y transformación en la industria química se llevan a cabo de forma catalítica. El catalizador es una sustancia cuya participación hace posible o económicamente viable la reacción química. Un proceso catalítico importante es la conversión de oxígeno del aire en agua. Esta reacción se utiliza, entre otras cosas, en la sensorística o en la tecnología de corrosión. Tiene una importancia especial, sobre todo, para la tecnología de almacenamiento y conversión de energía química en baterías y celdas de combustible. Los catalizadores más eficaces para esta reacción están compuestos por aleaciones del elemento caro y raro platino. Desde hace años se sabe que las aleaciones de platino, cuyas superficies mantienen un orden estructural exactamente definido de los átomos, constituyen catalizadores muy activos.

“Para asombro de la ciencia, investigaciones de los últimos años también muestran que las variantes estructuralmente completamente desordenadas de esas aleaciones de platino, formadas por desgaste y envejecimiento de los catalizadores, muestran una actividad catalítica igualmente alta”, explica el Prof. Dr. Peter Strasser, jefe del departamento de “Electrocatalisis y Materiales” en la TU Berlín. “Sin embargo, estas dos observaciones parecían incompatibles.”

Ahora, el equipo de la TU Berlín dirigido por Peter Strasser, en estrecha colaboración con colegas franceses de la Universidad Grenoble Alpes y del Centro Nacional de la Investigación Científica (CNRS) allí, con colegas suizos del ETH Zürich y del Instituto Paul Scherrer, así como con colegas alemanes de la TU Dresden, ha logrado desarrollar una descripción más completa de estos dos tipos de catalizadores y su reacción, que puede resolver las contradicciones.

Un papel importante lo juega la distorsión de la estructura superficial (Distorsión), un parámetro estructural que describe el desorden en la disposición de los átomos individuales en la superficie de platino y que incluye ambos tipos de catalizadores. La disposición estrictamente uniforme de los átomos metálicos proporciona las mejores condiciones para una alta reactividad catalítica en esta reacción. Sin embargo, el desorden estructural ofrece la mayor diversidad atómica en la superficie y, por lo tanto, muchas diferentes disposiciones atómicas, de las cuales un pequeño número también puede ser muy activo. Esto también conduce, en conjunto, a una alta reactividad catalítica. Se podría ilustrar esto comparándolo con un lanzamiento a un aro de baloncesto: un jugador profesional tiene un intento y encesta. Esto correspondería a un pequeño número de patrones definidos de los átomos en la superficie del catalizador. En comparación, toda una clase de escuela, en la que todos los niños lanzan a la vez, tiene estadísticamente una probabilidad similar de encestar al menos una vez, como el profesional con un solo lanzamiento. Esto correspondería a un gran número de patrones diferentes de los átomos en la superficie del catalizador.

Los experimentos publicados ahora en Nature Materials demuestran: un aumento en la distorsión de la superficie es la clave para entender los procesos de envejecimiento de catalizadores inicialmente bien ordenados y activos, que se transforman en catalizadores desordenados pero aún activos.

Finalmente, la descripción unificada de los dos tipos de catalizadores no solo permite una comprensión más profunda del funcionamiento de catalizadores conocidos, sino que también ofrece la posibilidad de predecir nuevos catalizadores aún más eficientes para futuras tecnologías de almacenamiento y conversión de energía.

Raphaël Chattot, Olivier Le Bacq, Vera Beermann, Stefanie Kühl, Juan Herranz, Sebastian Henning, Laura Kühn, Tristan Asset, Laure Gütaz, Gilles Renou, Jakub Drnec, Pierre Bordet, Alain Pasturel, Alexander Eychmüller, Thomas J. Schmidt, Peter Strasser, Laetitia Dubau, Frédéric Maillard
Distorsión superficial como concepto unificador y descriptor en la electrocatalisis de la reacción de reducción de oxígeno
Nature Materials. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2