¿Cómo funcionan los catalizadores heterogéneos?
Estructura modelo de un cúmulo de oro bicapa de 75 átomos con un diámetro aproximado de 2 nm depositado sobre una superficie de TiO2(110) rutilo. Las esferas amarilla, gris y roja representan los átomos de oro, titanio y oxígeno, respectivamente. La estructura no se ha optimizado computacionalmente, por lo que sólo sirve como ilustración conceptual.
La catálisis heterogénea del oro se refiere a la catálisis de reacciones químicas por el oro, normalmente soportado sobre sustratos de óxido metálico. A pesar de la conocida inercia del oro a granel, la disminución del diámetro de los clústeres de oro soportados a entre 2 y 5 nm da lugar a una elevada actividad catalítica en la oxidación del monóxido de carbono (CO) a baja temperatura. También se observan otras reacciones de interés industrial, como la activación de H2, el desplazamiento de gas de agua y la hidrogenación[1][2][3].
Se ha propuesto que la elevada actividad de los clústeres de oro soportados surge de una combinación de cambios estructurales, efectos de tamaño cuántico y efectos de soporte que sintonizan preferentemente la estructura electrónica del oro de forma que se permite la unión óptima de adsorbatos durante el ciclo catalítico. 2][3][4] La selectividad y la actividad de las nanopartículas de oro pueden ajustarse con precisión variando la elección del material de soporte; por ejemplo, la titania (TiO2), la hematites (α-Fe2O3), el óxido de cobalto (II/III) (Co3O4) y el óxido de níquel (II) (NiO) son los materiales de soporte más eficaces para facilitar la catálisis de la combustión de CO [1]. [Además de permitir una dispersión óptima de los nanoclusters, se ha sugerido que los materiales de soporte promueven la catálisis alterando el tamaño, la forma, la deformación y el estado de carga del cluster[3][5][6] Se ha demostrado que un control preciso de la forma de los clusters de oro depositados es importante para optimizar la actividad catalítica, con nanopartículas semiesféricas de pocas capas atómicas de espesor que generalmente presentan las propiedades catalíticas más deseables debido al número maximizado de sitios de borde y esquina de alta energía[1][4][7].
¿Qué tipo de catalizador es el oro?
Como catalizador heterogéneo, el oro es el catalizador más activo para la oxidación del monóxido de carbono a temperatura ambiente. También es el catalizador más eficaz para la síntesis de cloruro de vinilo por hidrocloración del acetileno, y recientemente se ha comercializado en China un catalizador de oro para esta reacción.
¿Qué metales hay en un catalizador?
Los catalizadores limpian las emisiones de los vehículos de gasolina y diésel mediante catalizadores metálicos que suelen contener platino, paladio y rodio. Estos catalizadores se presentan en forma de nanopartículas, recubiertas sobre un sustrato o «ladrillo».
¿Por qué se utiliza el oro como catalizador en los procesos industriales?
Investigadores de la Facultad de Química, dirigidos por el profesor Graham Hutchings, han descubierto que el oro puede salvar vidas, mejorar la salud y limpiar el medio ambiente. El oro es el mejor catalizador para la formación de cloruro de vinilo, el principal ingrediente en la producción de PVC, y puede sustituir a un catalizador de mercurio perjudicial para el medio ambiente. El oro también se utiliza como catalizador para oxidar el monóxido de carbono y convertirlo en dióxido de carbono, lo que podría utilizarse en catástrofes naturales o en entornos domésticos donde sea necesario eliminar el monóxido de carbono (CO) del aire.
La catálisis es una tecnología instrumental que sustenta aproximadamente entre el 80% y el 90% de todos los productos manufacturados. El fenómeno consiste en que un material, que no es uno de los reactivos, acelera una reacción química deseada sin necesidad de aumentar la temperatura. Los catalizadores utilizados habitualmente, como los que contienen mercurio, han demostrado ser derrochadores, peligrosos para el medio ambiente e incluso nocivos para la salud humana. Los científicos han descubierto que el oro no sólo es un catalizador alternativo viable, sino que a veces es el mejor catalizador posible. La investigación ha dado lugar a un nuevo proceso para producir cloruro de vinilo que no utiliza mercurio. Dos importantes organizaciones han realizado importantes inversiones para desarrollar el nuevo catalizador, y los resultados se han incorporado al debate político mundial sobre el uso del mercurio y sus riesgos para la salud humana y el medio ambiente.
Catálisis del oro
El oro lleva mucho tiempo fascinando a la humanidad. Durante milenios se ha utilizado en el arte, la metalurgia cosmética y la arquitectura; este elemento se considera la máxima expresión de prosperidad y belleza. Esta miríada de usos es posible gracias a la inercia característica del oro a granel, que le permite parecer duradero y estar por encima del deslustre que experimentan otros metales, lo que en parte le proporciona su estatus de metal más noble.
Esta tendencia en el tamaño y la actividad de las partículas de oro se descubrió en los trabajos seminales de Hutchings (1985) y Haruta et al. (1987) sobre nanopartículas de oro pequeñas y bien dispersas, que resultaron ser catalizadores muy eficaces tanto para la reacción de oxidación del CO como para la hidrocloración del acetileno. La elevada actividad en la primera reacción es especialmente sorprendente, ya que el oro muestra energías de quimisorción endotérmicas para el oxígeno según un estudio DFT de primeros principios, lo que implica una incapacidad hacia la unión del oxígeno (Hvolbæk et al., 2007).
El objetivo de este número especial es debatir algunos avances recientes en el creciente número de reacciones en las que el oro ha encontrado una aplicación significativa y desarrollada con respecto a los materiales existentes (Figura 2). Aunque las aplicaciones que caen dentro del ámbito de este número especial son muchas y de amplio alcance, aquí discutiremos los recientes avances realizados dentro de estos procesos. Además, esta perspectiva también ofrece algunas pistas sobre las reacciones de reducción para mostrar la versatilidad de la catálisis del oro tanto para procesos oxidativos como reductivos.
Ejemplo de catalizador heterogéneo
ResumenLas nanopartículas de oro sobre soporte son catalizadores emergentes para reacciones catalíticas heterogéneas, entre ellas la hidrogenación selectiva. Los soportes tradicionalmente utilizados, como la sílice, no favorecen la disociación heterolítica del hidrógeno en la superficie del oro, limitando así su actividad de hidrogenación. Aquí utilizamos partículas catalizadoras de oro parcialmente incrustadas en las paredes de los poros de carbono mesoporoso con átomos de carbono ocupando sitios intersticiales en la red de oro. Este catalizador permite una mejor transferencia de electrones del carbono al oro y, cuando se utiliza para la hidrogenación quimioselectiva del 3-nitrostireno, proporciona una frecuencia de cambio (TOF) tres veces mayor que la del sistema Au/TiO2, ya bien establecido. La ganancia de electrones d del Au está linealmente relacionada con la entropía de activación y la TOF. El catalizador es estable y puede reciclarse diez veces con una pérdida insignificante tanto de la velocidad de reacción como de la conversión global. Esta estrategia abre el camino a la optimización de catalizadores de metales nobles para mejorar el rendimiento catalítico de la hidrogenación.