Los cristales de verdad tienen curvas…
A pesar de décadas de investigación y del amplio uso de catalizadores en aplicaciones industriales, los procesos catalíticos no han llegado aún a entenderse al nivel más básico. Sin embargo, el afán de controlar de manera más eficiente la química de los procesos relacionados, por ejemplo, los residuos en una industria o incluso (a menor escala) en nuestro propio coche, capta aún muchos de los esfuerzos en I+D actuales. De esta manera, dentro del campo de los procesos catalíticos, una gran parte de las investigaciones utilizan superficies cristalinas en ultra alto vacío (UHV) para aislar dichos procesos y así estudiarlos en condiciones controladas. Entre otros efectos, se ha observado que los defectos o escalones en estas superficies suelen ser sitios de adsorción preferenciales para moléculas, y aún más importante… se ha visto que poseen mayor actividad catalítica. Por esta razón, desde nuestra empresa creemos que las superficies escalonadas son una herramienta fundamental a la hora de controlar la selectividad de una reacción química.
Figura 1. Monocristal curvado de Pt (111)
Un ejemplo de la utilidad de estas herramientas puede encontrarse en uno de los trabajos más recientes de Walter et al.1, a través de medidas de espectroscopia electrónica de rayos X (XPS) hechas sobre una superficie curvada de Pt(111)2. Se trata de la muestra curvada de la Figura 1, la cual no es otra cosa mas que una superficie escalonada en la que el tamaño de los escalones varía de forma continua. Con esta muestra, los autores han develado cuestiones fundamentales tanto de la estabilidad estructural de la superficie limpia como de la jerarquía de los sitios de adsorción de moléculas de CO (para su posterior transformación catalítica a bajas temperaturas en el mucho menos dañino CO2). Algo más sobre moléculas y las últimas novedades para su introducción en UHV aquí.
Figura 2 Rutilo (110)
Otro ejemplo lo da la estructura más estable del dióxido de titanio, el rutilo, que se utiliza también en catálisis (entre otras aplicaciones). Los defectos en el TiO2, especialmente las vacancias de oxígeno, juegan un papel fundamental en su química ya que convierten al TiO2, un material aislante en su estado original (no reducido), en un semiconductor de tipo n. La Figura 2 muestra un esquema de la estructura cristalina del rutilo (izquierda), junto con una imagen de su superficie obtenida por microscopia de efecto túnel (en está última se observan las vacancias de oxígeno como «puentes» brillantes entre las filas de átomos de titanio), y el patrón que esta ofrece por difracción de electrones (LEED). En este caso, la utilización de un cristal curvado nos ha permitido explorar los cambios tanto en la morfología de los escalones como en el papel de las diferentes vacancias de oxígeno3 en la química del sistema. Por ejemplo, en la Figura 2 se muestra la acción de las vacancias de terraza y de escalón sobre la disociación de moléculas de agua a baja temperatura (la imagen fue obtenida usando un microscopio de efecto túnel operando a 80K). Es especialmente interesante observar que no sólo hay vacancias en los escalones, sino que las mismas están ubicadas de manera ordenada… por lo que es posible controlar la cantidad y orientación de los sitios reactivos del cristal.
Figura 3 Disociación de moléculas de agua en una superficie escalonada de rutilo.
1Walter, A. L.; Schiller, F.; Corso, M.; Merte, L. R.; Bertram, F.; Lobo-Checa, J.; Shipilin, M.; Gustafson, J.; Lundgren, E.; Brión-Ríos, A. X.; Cabrera-Sanfelix, P.; Sánchez-Portal, D. & Ortega, J. E.
X-ray photoemission analysis of clean and carbon monoxide-chemisorbed platinum(111) stepped surfaces using a curved crystal
Nature Communications, 2015, 6, 8903
2 Las medidas de XPS fueron tomadas en la línea I-311 del Laboratorio MAX IV de Lund, Suecia.
3 Miccio, L. A.; Setvin, M.; Müller, M.; Abadía, M.; Piquero, I.; Lobo-Checa, J.; Schiller, F.; Rogero, C.; Schmid, M.; Sanchez-Portal, D.; Diebold, U. & Ortega, J. E.
Interplay between steps and oxygen vacancies on curved TiO2(110)
Nano Letters, 2016, 16, 2017–2022
2 comentarios /
04 Oct 2016
por
Alejandro
Sin categoría /
catálisis, cristal, física, Molécula, química, superficie, UHV
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