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Soluciones nano vs gases tóxicos

Denisse Joana Flores
18/jun/2013

La industria automotriz asegura que los catalizadores actuales (aquella pieza que se ubica justo antes del sistema de escape de los autos y que funciona como un filtro para evitar la salida de partículas contaminantes) pueden reducir el 99% las emisiones tóxicas que genera un auto. Y aunque eso es posible, hay un elemento que omiten.

La realidad es que un coche debe recorrer una distancia mínima de 10 km para alcanzar una temperatura que active la acción de metales como el platino, el rodio y el paladio (ubicados en el catalizador), encargados de recombinar las moléculas de los gases tóxicos (como el monóxido de carbono). Mientras esta temperatura no se alcance, las emisiones nocivas logran escaparse a la atmósfera.

Una de las soluciones a este problema tiene que ver con la creación de catalizadores que se activen a temperaturas más bajas, y aunque el camino es largo, los esfuerzos ya han comenzado con investigaciones como la de Laura Michelle Jiménez Díaz, joven investigadora del IFUNAM que participó en el Seminario de Estudiantes el pasado 29 de abril con su ponencia titulada “Propiedades estructurales y electrónicas de nanocúmulos de AuIr”.

En su tesis de maestría, Laura analizó las propiedades estructurales y electrónicas que conducen al estudio de la actividad catalítica (aumento de la velocidad de una reacción química) de nanocúmulos (o nanoaleaciones) de AuIr (oro e iridio) que son grupos de partículas que van desde unos cuantos hasta millones de átomos o moléculas.


Las nanoaleaciones pueden clasificarse de acuerdo con distintos patrones de mezcla. La investigadora analizó el denominado núcleo-cáscara (fig.a).

“El estudio de catalizadores de oro es muy intenso debido a que sirven para la catalización de la reacción de oxidación del monóxido de carbono”, explicó a Noticias IFUNAM. Sin embargo, en estos catalizadores las partículas de oro son inestables, lo que decrece su actividad catalítica debido a la formación de agregados y a la adsorción de carbonatos en los sitios activos.

Una posible solución propone añadir iridio a los cúmulos de oro para mejorar su actividad catalítica, que en este caso implica optimizar la conversión de monóxido de carbono (CO) a dióxido de carbono (CO2) de manera rápida y a una temperatura más baja.

“Decidimos estudiar estos cúmulos considerando que en ese momento no había ningún estudio en la literatura”, cuenta Michelle.

Para generar estos cúmulos emplearon una metodología basada en un algoritmo genético que a su vez implementó el potencial de Gupta (el cual describe las interacciones interátomicas en los nanocúmulos). Así, hallaron una primera aproximación para encontrar isómeros (compuestos químicos) de baja energía que después fueron nuevamente analizados con la Teoría de Funcional de la Densidad (DFT) que permitió calcular la densidad electrónica.

"En principio son los [isómeros] que uno espera encontrar en la naturaleza. Todos los sistemas tienden a minimizar su energía bajo ciertas condiciones. De acuerdo con las condiciones que estamos imponiendo pues los sistemas que se deben de presentar son aquellos cuya energía sea la menor", explicó.

Una vez que obtuvieron los cúmulos de menor energía analizaron sus propiedades estructurales e identificaron un fenómeno conocido como segregación (elementos que no se mezclan), lo que les permitió identificar algo nuevo: el iridio permaneció en el centro, mientras que el oro se colocó en la superficie.

De acuerdo con el equipo, estudiar la estructura también permite ahorrar costos pues además de aprovechar el efecto sinérgico de estos metales también se pueden reducir costos. Por ejemplo, el oro es costoso, pero el iridio lo es aún más debido a que se trata de un elemento abundante en los meteoritos, por lo tanto conviene que el que permanece en el interior no sea tan caro en comparación con el que se queda en la superficie.

De manera adicional, la joven investigadora analizó la adsorción y coadsorción (retención de moléculas o iones en la superficie de un cuerpo) de las moléculas de monóxido de carbono y oxígeno; y hallaron que ambas moléculas se adsorben muy fuertemente al cúmulo de iridio cuando solamente se tiene este elemento, pero cuando se va añadiendo oro, esta energía de adsorción va disminuyendo.


El estudio reveló un fenómeno de segregación en el que el oro permaneció en la superficie y el iridio en el centro.

“En esta reacción de oxidación lo que uno necesita es que el oxígeno en la superficie de la molécula se disocie. La molécula tiene que ceder su oxígeno al monóxido para formar el dióxido de carbono, por ello el oxígeno se debe ‘partir’”, explica.

Precisamente el problema se presenta cuando la energía de adsorción es muy grande, lo que podría inhibir que las moléculas se liberaran, tal y como sucede con los cúmulos compuestos solamente por iridio.

“Lo que necesitamos es que siga habiendo una transferencia de carga (que la densidad electrónica se traslade hacia la molécula de oxígeno) grande pero que esa energía de adsorción disminuya para que se puedan liberar. Este efecto de balance nos podría indicar porqué es que son mejores catalizadores cuando hay oro e iridio, que cuando solamente hay solamente uno u otro elemento”, concluyó.


Laura Michelle Jiménez en el Seminario de Estudiantes. Foto: Pedro Zaldívar Sánchez.