Un catalizador 'frío' de platino líquido para tener industrias limpias
Investigadores australianos han logrado utilizar cantidades ínfimas de platino líquido para crear reacciones químicas baratas y muy eficaces a bajas temperaturas.
Esto abre una vía para reducir drásticamente las emisiones en industrias cruciales, según publican en la revista 'Nature Chemistry'.
Cuando se combina con galio líquido, las cantidades de platino necesarias son lo suficientemente pequeñas como para ampliar de forma significativa las reservas de este valioso metal en la Tierra, al tiempo que ofrecen potencialmente soluciones más sostenibles para la reducción de CO2, la síntesis de amoniaco en la producción de fertilizantes y la creación de pilas de combustible ecológicas, junto con muchas otras posibles aplicaciones en las industrias químicas.
Estos descubrimientos, centrados en el platino, no son más que una gota en el océano de los metales líquidos cuando se trata del potencial de estos sistemas de catálisis. Si se amplía este método, podría haber más de 1.000 combinaciones posibles de elementos para más de 1.000 reacciones diferentes.
El platino es muy eficaz como catalizador (el desencadenante de las reacciones químicas), pero no se utiliza mucho a escala industrial porque es caro. Además, la mayoría de los sistemas de catálisis con platino tienen un elevado coste energético de funcionamiento.
Normalmente, el punto de fusión del platino es de 1.700ºC. Y cuando se utiliza en estado sólido para fines industriales, tiene que haber alrededor de un 10% de platino en un sistema catalítico basado en el carbono.
No es una proporción asequible cuando se trata de fabricar componentes y productos para la venta comercial. Sin embargo, esto podría cambiar en el futuro, después de que científicos de la UNSW de Sydney y de la Universidad RMIT encontraran una forma de utilizar cantidades minúsculas de platino para crear reacciones potentes, y sin costosos gastos de energía.
El equipo, en el que participaron miembros del Centro de Excelencia en Ciencia de Excitones y del Centro de Excelencia en Tecnologías Futuras de Baja Energía del ARC, combinó el platino con galio líquido, que tiene un punto de fusión de sólo 29,8°C, es decir, la temperatura ambiente en un día caluroso. Cuando se combina con el galio, el platino se vuelve soluble. En otras palabras, se funde, y sin necesidad de encender un horno industrial enormemente potente.
Para este mecanismo, el tratamiento a una temperatura elevada sólo es necesario en la fase inicial, cuando el platino se disuelve en el galio para crear el sistema de catálisis. E incluso entonces, sólo se trata de unos 300 °C durante una o dos horas, nada que ver con las altas temperaturas continuas que suele requerir la ingeniería química a escala industrial.
El doctor Jianbo Tang, de la UNSW, lo comparó con un herrero que utiliza una fragua caliente para fabricar equipos que duren años. "Si se trabaja con hierro y acero, hay que calentarlo para fabricar una herramienta, pero ya se tiene la herramienta y no hay que volver a calentarla --explica--. Otras personas han intentado este enfoque, pero tienen que hacer funcionar sus sistemas de catálisis a temperaturas muy altas todo el tiempo".
Para crear un catalizador eficaz, los investigadores necesitaron utilizar una proporción de menos de 0,0001 de platino por galio. Y lo más sorprendente de todo es que el sistema resultante resultó ser más de 1.000 veces más eficaz que su rival de estado sólido (el que necesitaba un 10% de platino caro para funcionar).
Además, al ser un sistema de base líquida, también es más fiable. Los sistemas catalíticos de estado sólido acaban atascándose y dejando de funcionar. Eso no es un problema aquí. Al igual que una fuente de agua incorporada, el mecanismo líquido se refresca constantemente, autorregulando su eficacia durante un largo periodo de tiempo y evitando el equivalente catalítico de la espuma de estanque que se acumula en la superficie.
El doctor Md. Arifur Rahim, autor principal de la UNSW de Sídney, señala que "desde 2011, los científicos pudieron miniaturizar los sistemas catalizadores hasta el nivel atómico de los metales activos. Para mantener los átomos individuales separados unos de otros, los sistemas convencionales requieren matrices sólidas (como el grafeno o el óxido metálico) para estabilizarlos. Pensé que por qué no utilizar una matriz líquida en su lugar y ver qué pasaba", recuerda.
"Los átomos catalíticos anclados en una matriz sólida son inmóviles --añade--. Hemos añadido movilidad a los átomos catalíticos a baja temperatura utilizando una matriz líquida de galio".
El mecanismo también es lo suficientemente versátil como para llevar a cabo reacciones de oxidación y reducción, en las que se aporta o se quita oxígeno a una sustancia, respectivamente.
Los experimentadores de la UNSW tuvieron que resolver algunos misterios para entender estos impresionantes resultados. Utilizando la química computacional avanzada y la modelización, sus colegas del RMIT, dirigidos por el profesor Salvy Russo, pudieron identificar que el platino nunca se vuelve sólido, hasta el nivel de los átomos individuales.
La doctora Nastaran Meftahi, investigadora de Exciton Science, reveló la importancia del trabajo de modelización de su equipo del RMIT. "Lo que descubrimos es que los dos átomos de platino nunca entraron en contacto entre sí --apunta--. Siempre estaban separados por átomos de galio. En este sistema no se forma platino sólido. Siempre está disperso atómicamente dentro del galio. Eso es realmente genial y es lo que encontramos con el modelado, que es muy difícil de observar directamente a través de experimentos".
Sorprendentemente, es el galio el que hace el trabajo de impulsar la reacción química deseada, actuando bajo la influencia de los átomos de platino que se encuentran cerca.
El investigador asociado de Exciton Science, el doctor Andrew Christofferson, del RMIT, explica lo novedoso de estos resultados. "El platino está en realidad un poco por debajo de la superficie y está activando los átomos de galio a su alrededor. Así que la magia se produce en el galio bajo la influencia del platino", señala.
"Pero sin el platino allí, no sucede --resalta--. Esto es completamente diferente a cualquier otra catálisis que alguien haya mostrado, que yo sepa. Y esto es algo que sólo puede haberse demostrado a través de la modelización".
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