Un equipo de investigación de la Universidad de Stanford y el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) ha logrado un importante avance en el campo de los nanomateriales. Los investigadores han conseguido construir un nanocristal que contiene cinco metales diferentes y han descubierto un fenómeno contraintuitivo: cuantos más tipos de metal, más uniformes son las partículas. Este hallazgo desafía el conocimiento tradicional, abre nuevas vías para la preparación de nanomateriales y se espera que tenga un profundo impacto en el desarrollo de la energía del hidrógeno. El trabajo correspondiente se ha publicado en la revista Science.
1. Estado actual y desafíos de los nanocristales
Los nanocristales están formados por unos pocos hasta varios miles de átomos dispuestos con precisión y orden, y se utilizan ampliamente en productos como transistores y pantallas de ordenadores y teléfonos inteligentes. Su diminuto tamaño les confiere una enorme relación superficie-volumen, lo que los convierte en catalizadores excelentes.
Sin embargo, investigaciones anteriores se han centrado principalmente en nanocristales de uno o dos metales. Al intentar mezclar tres o más metales, debido a las diferentes velocidades y temperaturas de reducción de cada metal, es muy fácil que aparezcan problemas de desorden estructural y distribución desigual. Por lo tanto, la síntesis controlada de nanocristales multimetalicos ha sido durante mucho tiempo un desafío en el campo de la ciencia de materiales.
2. La exploración del caos al orden
El equipo de investigación eligió el rutenio, un metal precioso y altamente reactivo, como punto de partida, y añadió cuatro materiales más económicos y abundantes: hierro, cobalto, níquel y cobre.
Generalmente se pensaba que cuantos más metales, mayor sería el caos. Al principio, así era efectivamente: al combinar dos metales con rutenio, la estructura era desordenada; la adición de un tercer metal no ayudaba.
Pero cuando el número de metales aumentó a cinco, el caos desapareció. Entre 31 combinaciones posibles de productos, surgió un único nanocristal uniforme de cinco metales, en el que todas las partículas de los elementos mantenían proporciones estables.
3. El papel clave del cobre
La investigación reveló que el cobre es la clave para resolver el misterio de la transición «del caos al orden». Entre los cuatro metales de bajo costo, el cobre es el más fácil de reducir a metal. Se deposita primero sobre las partículas semilla de rutenio, pero sin mezclarse con él; en su lugar, se coloca a su lado, formando un heterodímero que actúa como un andamio estable.
Posteriormente, esta estructura de cobre y rutenio emite una «invitación» química:
- El cobalto se acerca al rutenio,
- El níquel se acerca al cobre,
- El hierro, el más difícil de reducir, finalmente se envuelve en el exterior.
El resultado es una partícula en forma de cebolla: un núcleo de rutenio con el cobre a su lado, cobalto y níquel formando una capa intermedia, y una capa externa rica en hierro. Todo el proceso ocurre de forma espontánea, sin necesidad de intervención humana.
4. Ventajas de rendimiento: Actividad catalítica y estabilidad térmica
Además del avance en la síntesis, el equipo demostró que, en la cada vez más importante reacción de descomposición del amoníaco, este nanocristal de cinco metales supera con creces a los metales individuales. Las pruebas mostraron que la velocidad de reacción del catalizador de nanocristales de cinco metales es cuatro veces superior a la de un catalizador estándar de rutenio.
Incluso después de 12 horas de funcionamiento continuo a 900 °C, el catalizador mantiene su rendimiento sin disminución, mientras que el catalizador de un solo metal (rutenio) ya muestra un envejecimiento significativo en ese momento.
5. Apoyo al almacenamiento y transporte de hidrógeno y a la energía limpia
El hidrógeno es difícil de almacenar y transportar. Puede combinarse con nitrógeno para formar amoníaco, que es más fácil de licuar y transportar; una vez en el destino, el amoníaco se descompone nuevamente en hidrógeno y nitrógeno. Sin embargo, la descomposición generalmente requiere temperaturas superiores a 600 °C, lo que supone un gran desafío para los catalizadores.
Este nuevo nanocatalizador de cinco metales resuelve simultáneamente los dos grandes problemas de actividad y estabilidad, y tiene el potencial de reducir drásticamente los costes de descomposición del amoníaco, impulsando la aplicación práctica de toda la cadena de la industria del hidrógeno.
Equipo Prensa
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