Purificador de agua con dos catalizadores
Eli Stavitski (izquierda) y Yonghua Du. (Foto: Brookhaven National Laboratory) – Una colaboración de científicos de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE – Universidad de Yale, y la Universidad del Estado de Arizona ha diseñado y probado un nuevo catalizador bidimensional (2-D) que puede ser utilizado para mejorar la purificación del agua utilizando peróxido de hidrógeno.
Si bien el tratamiento de agua con peróxido de hidrógeno es respetuoso con el medio ambiente, el proceso químico en dos partes que lo impulsa no es muy eficiente. Hasta ahora, los científicos se han esforzado por mejorar la eficiencia del proceso a través de la catálisis porque cada parte de la reacción necesita su propio catalizador -llamado co-catalizador- y los co-catalizadores no pueden estar uno al lado del otro.
«Nuestro objetivo general es desarrollar un material que aumente la eficiencia del proceso para que no sea necesario un tratamiento químico adicional del agua. Esto sería particularmente útil para los sistemas que están fuera de la red y lejos de los centros urbanos», dijo Jaehong Kim, Profesor de Ingeniería y Presidente del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Yale. Kim también es miembro del Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento de Agua por Nanotecnología (NEWT), que apoyó parcialmente esta investigación.
En su reciente artículo, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el equipo presentó el diseño del nuevo catalizador 2-D y reveló su estructura a través de mediciones en el NSLS-II. El truco de su nuevo diseño es que los científicos lograron colocar dos co-catalizadores -uno para cada parte de la reacción- en dos lugares diferentes en una nanolámina delgada.
«Muchos procesos necesitan dos reacciones en una. Esto significa que necesitas dos co-catalizadores. Sin embargo, el desafío es que los dos co-catalizadores tienen que permanecer separados, de lo contrario interactuarán entre sí y crearán un efecto negativo en la eficiencia de todo el proceso», dijo Eli Stavitski, químico y científico en el NSLS-II.
En muchos casos, los catalizadores están hechos de un gran número de átomos para formar un nanomaterial catalítico, que puede parecer pequeño para un humano pero, en el mundo de las reacciones químicas, sigue siendo bastante grande. Por lo tanto, colocar dos de estos materiales uno al lado del otro sin que interactúen es bastante difícil. Para resolver este desafío, el equipo tomó una ruta diferente.
«Usamos una fina nanolámina para co-organizar dos co-catalizadores para las diferentes partes de la reacción. La belleza está en su simplicidad: uno de los co-catalizadores -un solo átomo de cobalto (Co)- se encuentra en el centro de la lámina, mientras que el otro, una molécula llamada antraquinona, se encuentra en los bordes. Esto no sería posible con catalizadores hechos de nanomateriales, ya que serían ‘demasiado grandes’ para este propósito», dijo Kim.
Kim y su equipo en Yale sintetizaron este nuevo catalizador 2-D en su laboratorio siguiendo una serie precisa de reacciones químicas, calentamiento y pasos de separación.
Después de que los científicos sintetizaron el nuevo catalizador dos en uno, necesitaban averiguar si los co-catalizadores se mantendrían separados durante una reacción real y qué tan bien se desempeñaría este nuevo catalizador 2-D. Sin embargo, para realmente «ver» la estructura atómica y las propiedades químicas de su catalizador dos en uno en acción, los científicos necesitaban dos tipos diferentes de rayos X: rayos X duros y rayos X “tiernos” (“tender” en inglés). Al igual que la luz visible, los rayos X tienen diferentes colores o longitudes de onda, y en lugar de llamarlos azules o rojos, los llaman duros, tiernos o blandos.
«Los ojos humanos no pueden ver la luz ultravioleta o infrarroja y necesitamos cámaras especiales para verlos. Nuestros instrumentos no son capaces de «ver» rayos X duros y tiernos al mismo tiempo. Así que necesitábamos dos instrumentos diferentes – o líneas de luz – para investigar los materiales del catalizador usando diferentes rayos X», dijo Stavitski.
Los científicos comenzaron su investigación en el instrumento ISS de rayos X duros del NSLS-II usando una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X. Esta técnica ayudó al equipo a aprender más sobre la estructura local del nuevo catalizador 2-D. Específicamente, averiguaron cuántos átomos vecinos tiene cada co-catalizador, a qué distancia están estos vecinos y cómo están conectados entre sí.
La siguiente parada en la investigación fue el instrumento TES del NSLS-II. «Usando la misma técnica en el TES con rayos X tiernos en lugar de rayos X duros, pudimos ver los elementos ligeros con claridad. Tradicionalmente, muchos catalizadores están hechos de elementos pesados como el cobalto, el níquel o el platino, que podemos estudiar usando rayos X duros, sin embargo nuestro catalizador 2D también incluye importantes elementos más ligeros como el fósforo. Así que, para aprender más sobre el papel de este elemento más ligero en nuestro catalizador 2 en 1, también necesitábamos rayos X tiernos», dijo Yonghua Du, un físico y científico de la línea de rayos TES.
Después de sus experimentos, los científicos querían estar seguros de que entendían cómo funcionaba el catalizador y decidieron simular diferentes estructuras candidatas y sus propiedades.
«Utilizamos un enfoque llamado teoría funcional de la densidad para entender las estructuras y los mecanismos que controlan la eficiencia de la reacción. Basándonos en lo que aprendimos a través de los experimentos y en lo que sabemos sobre cómo interactúan los átomos entre sí, simulamos varias estructuras candidatas para determinar cuál era la más plausible», dijo Christopher Muhich, profesor asistente de ingeniería química de la Universidad Estatal de Arizona y también miembro de NEWT.
Solo combinando su experiencia en síntesis, experimentación analítica y simulación teórica, el equipo pudo crear su nuevo catalizador 2-D y demostrar su eficiencia. El equipo está de acuerdo en que la colaboración fue la clave de su éxito, y continuarán buscando la próxima generación de catalizadores para diversas aplicaciones ambientales. (Fuente: NCYT Amazings)