Estudio revela secretos atómicos de catalizadores con tecnología innovadora

MadridCientíficos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado una innovadora técnica para estudiar procesos electroquímicos a nivel atómico. Su método ayuda a comprender cómo funcionan los catalizadores comunes. Han presentado un dispositivo llamado célula líquida de polímero (PLC), que permite a los investigadores congelar reacciones y observarlas en diferentes etapas.

Las reacciones electroquímicas son esenciales para:

• Baterías
• Celdas de combustible
• Electrólisis
• Generación de combustibles con energía solar
• Procesos biológicos como la fotosíntesis

El PLC puede colaborar con la microscopía electrónica de transmisión (TEM) para observar reacciones a nivel atómico con gran claridad. Esta tecnología podría mejorar diversas tecnologías electroquímicas.

El equipo del Laboratorio de Berkeley probó su método en un catalizador de cobre. Estos catalizadores pueden transformar el dióxido de carbono en sustancias químicas como metanol, etanol y acetona. Las pruebas revelaron sorprendentes cambios en la interfaz entre el sólido y el líquido durante la reacción.

Científicos de Berkeley Lab utilizaron microscopios avanzados para observar cómo los átomos de cobre se mueven y se mezclan con átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno de una solución líquida. Descubrieron que esta mezcla forma una capa que no es completamente sólida ni líquida. Esta capa desaparece cuando se detiene la corriente eléctrica, y los átomos de cobre vuelven a su posición original.

Aprender más sobre esta capa media desconocida puede ayudar a crear mejores catalizadores y sistemas más duraderos. Comprender cómo se degradan los catalizadores es crucial para realizar mejoras.

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Esta célula líquida nos permite observar en tiempo real lo que ocurre en la frontera entre sólidos y líquidos durante las reacciones. Podemos ver cómo se mueven y cambian los átomos en la superficie del catalizador. Esta información es esencial para diseñar catalizadores más eficientes", afirmó Haimei Zheng, una científica senior en la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio de Berkeley.

El estudio contó con la participación de los científicos Zhigang Song de la Universidad de Harvard, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang y Yu Huang.

Zhang señaló que el descubrimiento de la interfase amorfa cambia lo que sabíamos anteriormente. A medida que se produce la reacción, la estructura de esta interfase se modifica y afecta el rendimiento. Al estudiar estos cambios, podemos desarrollar métodos para mejorar la eficiencia de los catalizadores.

El 19 de junio se publicó un nuevo estudio en la revista Nature. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE). El Molecular Foundry, una instalación apoyada por la misma oficina, contribuyó significativamente a este trabajo.

Los científicos están entusiasmados por emplear esta tecnología en otros materiales. Actualmente, investigan problemas relacionados con las baterías de litio y zinc. La información obtenida del TEM habilitado con PLC podría mejorar significativamente muchas tecnologías electroquímicas.