Una nueva técnica de imagen revela dónde actúan los catalizadores

Durante décadas, medir un catalizador significaba promediarlo. Las mediciones convencionales promedian la actividad de muchas partículas de catalizador a la vez, lo que oculta las diferencias locales que podrían explicar por qué un punto funciona y otro no. El equipo de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur ideó una forma de ver esas diferencias. El método, llamado DELINE, sigue eventos de reacción individuales en la superficie de un catalizador mientras este está en funcionamiento.

Muchas reacciones catalíticas no emiten luz, por lo que no pueden observarse con un microscopio. DELINE evita este problema vinculando la reacción estudiada con una reacción posterior mucho más rápida que produce una señal fluorescente. El equipo lo aplicó a finas placas de oro mientras el agua se descomponía sobre el metal: el agua libera hidrógeno, que luego puede formar gas hidrógeno, y también produce iones hidróxido. Una molécula sonda reacciona con esos iones hidróxido y se ilumina, de modo que cada punto luminoso registra un evento. Los experimentos de control confirmaron que la sonda no alteraba la actividad catalítica del oro. En 39 placas de oro y 195 regiones de superficie, los bordes y las superficies laterales solían ser más activos que las caras planas y amplias, aunque la actividad también variaba dentro de esas caras.

El hallazgo central es una compensación. Variando el voltaje aplicado, los investigadores midieron cuánto se aceleraba la reacción en cada región y estimaron una velocidad base en el equilibrio. Las regiones que respondían con más intensidad al voltaje tendían a tener una velocidad base más baja, una relación que el equipo denomina compensación cinética. Las simulaciones por ordenador y otras imágenes apuntaron a los iones de sodio del líquido circundante, que se acumulaban de forma desigual cerca del oro. Esa acumulación modifica las moléculas de agua cercanas y hace que la reacción sea más sensible al voltaje, al tiempo que satura la superficie y frena la velocidad base. «Saber qué partes de un catalizador son activas es solo el punto de partida», declaró el profesor adjunto Mao Xianwen, responsable de la investigación. «DELINE nos permite acercarnos a esas diferencias».

El mismo método se aplicó a placas de cobre durante la descomposición del agua y la reducción de nitratos, una reacción que convierte los nitratos en otros compuestos de nitrógeno. En el cobre, las caras planas y amplias fueron más activas que los bordes, lo contrario del patrón observado en el oro. El equipo también utilizó sus mapas de reacción para modelar placas de oro huecas con distintos anchos de borde: ensanchar el borde podía aumentar o reducir la actividad según el voltaje. Para un productor de hidrógeno, esto importa cuando la producción debe aumentar. Un catalizador que reacciona con más fuerza al voltaje puede necesitar un aumento de voltaje menor para acelerarse, por lo que su sensibilidad importa tanto como su actividad base. Para los investigadores, la ganancia es una forma de elegir formas de catalizador adaptadas a las condiciones reales en las que funcionará un dispositivo, y los investigadores afirman que el enfoque podría extenderse a otros electrocatalizadores y reacciones. El trabajo realizado hasta ahora es una investigación de laboratorio sobre placas metálicas, y el estudio no ofrece ningún calendario para su uso industrial.