Con un poco de electricidad, investigadores del MIT impulsan reacciones catalíticas comunes | Noticias del MIT

Una tecnología simple que utiliza pequeñas cantidades de energía podría aumentar la eficiencia de algunas reacciones clave de procesamiento químico hasta en 100.000 factores, informan investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Estas reacciones están en el centro del procesamiento petroquímico, la fabricación farmacéutica y muchos otros procesos químicos industriales.

Los resultados son sorprendentes informé hoy en la revista Cienciasen un artículo de investigación escrito por el estudiante graduado del MIT Karl Westendorf, los profesores Yogesh Surendranath y Yuri Roman Leshkov, y otros dos.

«Los resultados son realmente sorprendentes», afirma Surendranath, profesor de química e ingeniería química. Se han observado aumentos de velocidad de esta magnitud antes, pero en una clase diferente de reacciones catalíticas conocidas como semirreacciones redox, que implican la ganancia o pérdida de un electrón. Las tasas dramáticamente aumentadas reportadas en el nuevo estudio «nunca se han observado en reacciones que no involucran oxidación o reducción», dice.

Las reacciones químicas no oxidativas estudiadas por el equipo del MIT están catalizadas por ácidos. «Si eres un estudiante de primer año de química, el primer tipo de catalizador que aprendas probablemente será un catalizador ácido», dice Surendranath. Hay cientos de reacciones catalizadas por ácido, «y son extremadamente importantes en todo, desde el procesamiento de materias primas petroquímicas hasta la fabricación de productos químicos básicos y las transformaciones en productos farmacéuticos. La lista sigue y sigue».

«Estas reacciones son clave para fabricar muchos de los productos que utilizamos a diario», añade Roman Leshkov, profesor de ingeniería química y química.

Pero las personas que estudian las semireacciones redox, también conocidas como reacciones electroquímicas, son parte de una comunidad de investigación completamente diferente a la de aquellos que estudian reacciones químicas no redox, conocidas como reacciones termoquímicas. Como resultado, aunque la técnica utilizada en el nuevo estudio, que implica la aplicación de un pequeño voltaje externo, era bien conocida en la comunidad de investigación electroquímica, no se había aplicado sistemáticamente a reacciones termoquímicas catalizadas por ácido.

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Surendranath dice que las personas que trabajan en el campo de la catálisis termoquímica «normalmente no tienen en cuenta» el papel del potencial electroquímico en la superficie del catalizador, «y a menudo no tienen buenos métodos para medirlo». Lo que sabemos es que los cambios son relativamente pequeños, del orden de unos pocos cientos de milivoltios, y pueden tener efectos enormes: grandes cambios en las velocidades de las reacciones catalizadas en esas superficies.

«Este parámetro pasado por alto en términos de potencial de superficie es algo a lo que deberíamos prestar mucha atención porque puede tener un impacto realmente grande», dice. «Cambia el paradigma de cómo pensamos sobre la catálisis».

Los químicos tradicionalmente piensan en la catálisis superficial basada en la energía de la unión química de las moléculas a los sitios activos en la superficie, lo que afecta la cantidad de energía necesaria para una reacción, dice. Pero los nuevos resultados muestran que el entorno electrostático «es igualmente importante para determinar la velocidad de reacción».

El equipo ya ha presentado una solicitud de patente provisional para partes del proceso y está trabajando en formas de aplicar los resultados a procesos químicos específicos. Westendorf dice que sus hallazgos sugieren que «debemos diseñar y desarrollar diferentes tipos de reactores para aprovechar este tipo de estrategia. Ahora estamos trabajando para ampliar estos sistemas».

Si bien hasta ahora sus experimentos se han realizado utilizando un electrodo 2D plano, la mayoría de las reacciones industriales tienen lugar en recipientes 3D llenos de polvos. Los catalizadores se distribuyen a través de estos polvos, proporcionando una mayor superficie para que se produzcan reacciones. «Estamos analizando cómo funciona actualmente la catálisis en la industria y cómo podemos diseñar sistemas que aprovechen la infraestructura que ya existe», afirma Westendorf.

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Estos nuevos hallazgos, añade Surendranath, «plantean posibilidades tentadoras: ¿Se trata de un fenómeno más general? ¿Los potenciales electroquímicos también desempeñan un papel clave en otras clases de reacciones? En nuestra opinión, esto remodela la forma en que pensamos sobre el diseño de catalizadores y la mejora de su reacción». «.

Roman Leshkov añade: “Tradicionalmente, las personas que trabajan en el campo de la catálisis termoquímica no asocian en absoluto estas reacciones con procesos electroquímicos. Sin embargo, llevar esta perspectiva a la comunidad redefinirá cómo se incorporan las propiedades electroquímicas a la catálisis termoquímica. «Tendrá un enorme impacto en la sociedad en general».

Si bien ha habido poca interacción entre los investigadores en catálisis electroquímica y termoquímica, Surendranath dice: «Este estudio muestra a la comunidad que, de hecho, hay una línea borrosa entre las dos, y que existe una gran oportunidad para la fertilización cruzada entre estas dos comunidades. «. «.

Para que esto funcione, añade Westendorf, «hay que diseñar un sistema que sea muy poco convencional para que cualquiera de las comunidades aísle este efecto». Esto ayuda a explicar por qué nunca antes se había visto un efecto tan dramático. Señala que incluso el editor de su periódico les preguntó por qué no se había informado antes de este efecto. La respuesta, dice, tiene que ver con “cuán divergentes eran antes estas dos ideologías”. «No es sólo que las personas realmente no se hablen entre sí. Existen profundas diferencias metodológicas entre cómo las dos comunidades llevan a cabo experimentos. Creemos que este trabajo es realmente un gran paso hacia la conexión de las dos».

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En términos prácticos, el equipo afirma que los hallazgos podrían conducir a una producción más eficiente de una amplia gama de productos químicos. «Se obtienen grandes cambios de tarifas con muy poca entrada de energía», dice Surendranath. «Eso es lo sorprendente de esto».

Dice que los resultados «construyen una imagen más completa de cómo funcionan las reacciones catalíticas en las interfaces, independientemente de si se incluyen en la categoría de reacciones electroquímicas o reacciones termoquímicas». «Es raro encontrar algo que realmente pueda revisar nuestra comprensión básica de las reacciones catalíticas de superficie en general», añade. «Estamos muy emocionados».

«Esta investigación es de la más alta calidad», afirma Kostas Vinas, profesor de ingeniería de la Universidad de Patras en Grecia, que no participó en el estudio. Este trabajo es «muy prometedor para aplicaciones prácticas, especialmente porque amplía trabajos anteriores relacionados en sistemas catalíticos redox», afirma.

El equipo incluyó al investigador postdoctoral del MIT Max Hulsey '22 y al estudiante graduado Thejas Wesley PhD '23, y contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Departamento de Energía de EE. UU. Ciencias Energéticas Básicas.

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