Una pequeña cantidad de exprimir o estirar puede producir un gran impulso en el rendimiento catalítico, de acuerdo con un nuevo estudio dirigido por los científicos de la Universidad de Stanford y el National Accelerator Laboratory SLAC.
Esta microscopía electrónica de transmisión coloreada de película ultrafine de ceria revela que los átomos individuales (mostrados como puntos) cambian bajo una presión intensa. Crédito: Sang Chul Lee
El descubrimiento, publicado el 18 de mayo en Nature Communications, se centra en un catalizador industrial conocido como óxido de cerio, o Ceria, un material esponjoso comúnmente utilizado en los convertidores catalíticos, hornos autolimpiables y varias aplicaciones de energía verde, tales como pilas de combustible y divisores de agua solar.
"Ceria almacena y libera oxígeno según sea necesario, como una esponja", dijo el coautor del estudio Will Chueh, un profesor adjunto de Ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y un científico de la Facultad en SLAC. "Descubrimos que estirar y comprimir Ceria por un poco de porcentaje aumenta dramáticamente su capacidad de almacenamiento de oxígeno." "Este hallazgo voltea la sabiduría convencional sobre los materiales de óxido y podría conducir a mejores catalizadores".
Convertidores catalíticos
Ceria se ha utilizado durante mucho tiempo en los convertidores catalíticos para ayudar a eliminar los contaminantes del aire de los sistemas de escape de los vehículos.
"En su auto, Ceria agarra el oxígeno del óxido venenoso del nitrógeno, creando gas inofensivo del nitrógeno," dijo a autor principal del estudio Chirranjeevi Balaji Gopal, un investigador postdoctoral anterior en Stanford. "Ceria entonces libera el oxígeno almacenado y lo utiliza para convertir el monóxido de carbono letal en dióxido de carbono benigno."
Los estudios han demostrado que exprimir y estirar Ceria causa los cambios de la nanoescala que afectan a su capacidad de almacenar el oxígeno.
"La capacidad de almacenamiento de oxígeno de Ceria es fundamental para su efectividad como catalizador", dijo el coautor del estudio Aleksandra Vojvodic, un ex científico del personal de SLAC ahora en la Universidad de Pennsylvania, quien lideró el aspecto computacional de este trabajo. "La expectativa teórica basada en estudios previos es que el estiramiento de Ceria aumentaría su capacidad para almacenar oxígeno, mientras que la compresión disminuiría su capacidad de almacenamiento".
Para probar esta predicción, el equipo de investigación creó películas ultradelgadas de Ceria, cada una de pocos nanómetros de espesor, encima de sustratos hechos de diferentes materiales. Este proceso sujetó el Ceria a la tensión igual a 10.000 veces la atmósfera de la tierra. Esta enorme tensión causó que las moléculas de Ceria se separaran y apretaran juntas una distancia de menos de un nanómetro.
Resultados sorpresa
Típicamente, los materiales como Ceria relevan la tensión formando defectos en la película. Pero el análisis a escala atómica reveló una sorpresa.
"Usando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución para resolver la posición de átomos individuales, demostramos que las películas permanecen estiradas o comprimidas sin formar tales defectos, permitiendo que el estrés permanezca en plena vigencia", dijo Robert Sinclair, profesor de ciencia de materiales e ingeniería en Stanford.
Para medir el impacto del estrés en condiciones de operación en el mundo real, los investigadores analizaron las muestras de Ceria usando las brillantes vigas de luz de rayos x producidas en la fuente de luz avanzada del laboratorio nacional de Lawrence Berkeley.
Los resultados fueron aún más sorprendentes.
"Descubrimos que las películas tensas mostraron un cuádruple aumento en la capacidad de almacenamiento de oxígeno de Ceria", dijo Gopal. "No importa si se estira o se comprime." Se obtiene un aumento notablemente similar.
La técnica de alto estrés utilizada por el equipo de investigación es fácilmente alcanzable a través de la nanoingeniería, agregó Chueh.
"Este descubrimiento tiene implicaciones significativas en cómo los materiales de óxido de nanomotores mejoran la eficiencia catalítica para la conversión y almacenamiento de energía", dijo. "Es importante para el desarrollo de células de combustible de óxido sólido y otras tecnologías de energía verde, incluyendo nuevas formas de hacer combustibles limpios de dióxido de carbono o agua."