La investigación en el campo de los catalizadores bimetálicos ha tomado un nuevo impulso gracias a un estudio reciente publicado en la revista Chem. Este trabajo, liderado por un equipo de científicos del Instituto Dalian de Física Química de la Academia China de Ciencias, en colaboración con investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, se centra en la regulación precisa de la estructura atómica de los sitios activos para reacciones de hidrogenación.
Innovaciones en catalizadores bimetálicos
Los catalizadores bimetálicos, formados por una combinación de un metal noble y un metal base, presentan propiedades catalíticas únicas debido a sus estructuras geométricas y electrónicas distintivas. Para lograr una hidrogenación selectiva y efectiva a nivel molecular, es esencial establecer interacciones específicas en los sitios activos del catalizador, donde los átomos activos interactúan de manera selectiva con los grupos funcionales del sustrato.
Una de las principales innovaciones del estudio radica en la reducción de las partículas catalíticas a clústeres atómicos nanoscale y aleaciones de un solo átomo. Este enfoque no solo mejora la dispersión en la superficie, sino que también optimiza la utilización de los átomos de metal noble, alterando simultáneamente la estructura electrónica de los sitios activos. Esta modificación tiene un impacto significativo en la actividad intrínseca y en la distribución de productos de las reacciones químicas.
Los investigadores desarrollaron un método que permite posicionar de manera densa y precisa átomos aislados de platino en forma de heterotrímeros Pt-Fe-Pt sobre nanopartículas de α-Fe. Este heterotrímero se consiguió a través de la reducción con H2 de un par de partículas Pt-Fe2O3, donde una partícula de Pt de 3.3 nm se sitúa sobre una partícula de Fe2O3 de 9.8 nm. Durante este proceso de reducción, los óxidos de hierro se transforman en hierro, favoreciendo la dispersión de las partículas de Pt en los heterotrímeros en la superficie de las partículas de hierro mediante aleación superficial.
Además, el estudio revela la trayectoria de formación y el entorno de coordinación del heterotrímero Pt-Fe-Pt. En las reacciones de hidrogenación de aldehído crotonaldehído, el heterotrímero mostró una preferencia por hidrogenar el enlace C=O, produciendo así alcohol crotilico, en lugar de hidrogenar el enlace conjugado C=C. Este diseño innovador incrementó la tasa intrínseca de hidrogenación en 35 veces, resolviendo eficazmente el dilema de actividad-selectividad en las reacciones de hidrogenación.
Los hallazgos también identifican un patrón de reconocimiento de enlace en los sitios activos del heterotrímero. El átomo de Pt en el extremo izquierdo ancla el enlace C=C, mientras que el átomo central de Fe activa el enlace C=O, que es posteriormente hidrogenado por los átomos de hidrógeno adsorbidos en el átomo de Pt en el extremo derecho.
El profesor Shen, uno de los autores del estudio, destacó la importancia de esta investigación al afirmar que «nuestro estudio cuantifica la reacción catalítica superficial a nivel molecular y ofrece una estrategia para personalizar sitios activos en catalizadores bimetálicos con precisión atómica». Estos avances no solo representan un hito en la química de catalizadores, sino que también subrayan la relevancia de la investigación científica en la búsqueda de soluciones más eficientes y sostenibles en procesos industriales.
