Una investigación liderada por el ITQ (UPV-CSIC) demuestra la regeneración de nanocatalizadores multielementales metálicos
17/04/2025
Una investigación liderada por el Instituto de Tecnología Química (ITQ, UPV-CSIC) ha llevado a cabo un estudio detallado del proceso de exsolución de nanocatalizadores metálicos en óxidos de perovskita dobles. Este trabajo revela información clave sobre cómo la temperatura influye en la composición de las nanopartículas exsueltas, cómo estas evolucionan durante los ciclos químicos, y proporciona la primera medición sobre la reversibilidad de nanopartículas ternarias aleadas.
El estudio, publicado en Journal of Materials Chemistry A, ha contado con la colaboración de instituciones científicas de España, Alemania y Argentina. Sus resultados son especialmente relevantes para el desarrollo de celdas electroquímicas reversibles, capaces de operar tanto como pilas de combustible como electrolizadores, lo que las convierte en tecnologías estratégicas para el almacenamiento de energía renovable y la producción de combustibles sostenibles.
Los óxidos de perovskita destacan por su versatilidad, sus propiedades ajustables y por diversas características químicas, lo que los convierte en materiales interesantes para el diseño de catalizadores en diversas aplicaciones de energía limpia, incluidas las pilas de combustible y electrolizadores para la conversión de CO₂ y agua en CO e hidrógeno. Su capacidad única para liberar y, potencialmente, reabsorber nanopartículas metálicas hace que estos materiales sean particularmente valiosos para crear catalizadores estables y de alto rendimiento.
En la última década, la exsolución ha destacado por ser una prometedora ruta de fabricación de nanocatalizadores metálicos soportados en óxidos. A través de la exsolución, los óxidos de perovskita pueden producir nanopartículas metálicas bien ancladas en condiciones controladas. Si este proceso también puede funcionar a la inversa, podría permitir la regeneración del catalizador.
Sin embargo, el conocimiento sobre la dinámica del proceso de liberación y reabsorción aún es limitado. Por ello, personal investigador del ITQ (UPV-CSIC), el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) de Alemania, el Sincrotrón ALBA y otras instituciones de investigación de España y Argentina, emplearon técnicas avanzadas de rayos X para observar en tiempo real la evolución de nanopartículas ternarias aleadas.
La investigación se centró en como tres metales – hierro, cobalto y níquel – se combinan para formar nanopartículas aleadas dentro de una estructura compleja de óxido, con el objetivo de comprender los factores que determinan la formación y la reversibilidad de las nanopartículas.
En esta investigación se ha demostrado que, a temperaturas más bajas, predominan las nanopartículas ricas en níquel debido a su mayor rapidez de difusión. En cambio, el aumento de la temperatura promueve la disolución de cobalto y de hierro, lo que conduce a una composición más homogénea. Este hallazgo demuestra el potencial para ajustar la composición de las nanopartículas con el control de la temperatura de disolución.
Representación esquemática y micrografías de microscopía electrónica de barrido con emisión de campo de los procesos redox ex situ que afectan a la exsolución, la oxidación y la reexolución.
Además, el estudio analizó la reversibilidad del proceso de exsolución, evidenciando que algunas nanopartículas pueden reintegrarse en la red de perovskita tras la oxidación, mientras que otras permanecen en la superficie en un estado alterado. Esta reversibilidad tiene implicaciones importantes para la regeneración y la estabilidad del catalizador.
Para este análisis, se utilizaron dos técnicas avanzadas de rayos X en el Sincrotrón ALBA: la línea de luz MSPD y la estación final NAPP de la línea de luz CIRCE.
Este trabajo ofrece una mayor visión sobre la formación de las nanopartículas metálicas complejas dentro de los materiales de óxido. La capacidad de controlar la composición de nanopartículas a través de la temperatura ofrece nuevas oportunidades para el diseño de catalizadores, y los conocimientos sobre la reversibilidad de estos procesos tienen implicaciones importantes para la longevidad y la regeneración de los catalizadores.
Estos hallazgos sobre cómo se forman y transforman las nanopartículas de metales mixtos podrían mejorar las aplicaciones de energía limpia, incluida la producción de combustibles renovables a escala industrial. Asimismo, la investigación demuestra el gran potencial de las técnicas avanzadas de rayos X para comprender las transformaciones complejas de los materiales, aportando valiosos conocimientos al campo del diseño y desarrollo de catalizadores.
Consulta el artículo en Journal of Materials Chemistry A
