Observando una superficie catalítica bimetálica en acción

31 de agosto de 2023

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por la Sociedad Max Planck

Un equipo de investigadores del Departamento de Ciencias de la Interfaz del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck abordó la pregunta: ¿qué sucede con una superficie de Cu promovida por Ga en las condiciones de reacción requeridas para la síntesis de metanol? Encontraron transformaciones estructurales complejas de este catalizador bimetálico que podrían cambiar la visión común sobre la estructura de la superficie catalíticamente activa.

La hidrogenación de CO2 a metanol se produce con alta eficiencia en los famosos catalizadores de Cu/ZnO/Al2O3 a altas presiones, es decir, 50 a 100 bar. Sin embargo, esta síntesis no sólo conlleva riesgos para la seguridad y un alto consumo de energía, sino que también limita la concentración de CO2 en la alimentación de gas para mantener una alta selectividad.

Por lo tanto, una nueva clase de catalizadores para la síntesis de metanol a baja presión es muy deseable, también para el desarrollo futuro de dispositivos a pequeña escala que utilicen hidrógeno generado solar a presión ambiental.

Recientemente se ha descubierto que los compuestos intermetálicos y las aleaciones que contienen Ga muestran un buen rendimiento catalítico incluso a presiones atmosféricas. Sin embargo, el papel promocional del Ga en estos catalizadores aún no se comprende bien, principalmente debido a la falta de información sobre las estructuras superficiales de los catalizadores.

A este respecto, los estudios que utilizan técnicas sensibles a la superficie aplicadas a catalizadores modelo bien definidos en condiciones de reacción pueden proporcionar información clave que ayudará a comprender la naturaleza dinámica de los sitios activos, los intermedios de reacción y, en última instancia, el mecanismo de reacción.

Un equipo de investigadores del Departamento de Ciencias de la Interfaz del Instituto Fritz Haber aprovechó la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X de presión ambiental cercana (NAP-XPS) y la microscopía de barrido de túneles (NAP-STM) para monitorear in situ la estructura. y evolución química de superficies bimetálicas de Ga-Cu en la reacción de hidrogenación de CO2.

Observaron una desaleación de la superficie bimetálica dependiente de la temperatura y la presión, lo que dio como resultado islas de óxido de Ga incrustadas en la superficie de Cu. Aunque la fase de óxido mostró una estequiometría cercana a Ga2O3, es decir, el Ga-óxido más estable, en realidad forma una capa ultrafina.

El efecto promocional de metales como el Ga, que son propensos a la oxidación, a menudo se analiza en modelos de estructura en los que se coloca un óxido en masa sobre la superficie del metal y el mecanismo de reacción correspondiente implica el desbordamiento de especies intermedias en la interfaz. El presente estudio demostró claramente que: (i) el óxido de Ga está incrustado en la superficie del metal; y (ii) las islas de óxido de Ga son ultrafinas, muy probablemente de espesor "monocapa".

La formación inducida por reacción de una capa ultrafina de óxido de Ga sobre superficies metálicas también se prevé para compuestos intermetálicos que contienen Ga. Es importante destacar que estas películas de óxido bidimensionales son muy diferentes de sus homólogas en masa en términos de estructura y reactividad.

Por lo tanto, la interfaz GaOx/Cu formada en las condiciones de la reacción de hidrogenación de CO2 puede exponer sitios catalíticamente activos nunca antes considerados para esta reacción. Esta información sería imposible de obtener utilizando técnicas sensibles al volumen comúnmente empleadas para la caracterización de catalizadores en polvo.

Los resultados de este estudio, que se publicaron recientemente en Nature Communications, arrojan luz sobre la compleja estructura superficial de los sistemas catalíticos que contienen Ga.

Esta información sobre los catalizadores en funcionamiento sólo es posible obtenerla utilizando técnicas experimentales de última generación en condiciones de reacción. Sólo estableciendo la estructura atómica de la(s) capa(s) de óxido de Ga y su interfaz con el metal de transición en condiciones de trabajo se puede comprender el mecanismo de reacción de este catalizador de síntesis de metanol.

Más información: Si Woo Lee et al, Desentrañar estructuras superficiales de galio promovió catalizadores de metales de transición en la hidrogenación de CO2, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40361-3

Información de la revista:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por la Sociedad Max Planck