Un equipo de la University of Minnesota y la University of Houston ha medido directamente pequeñas fracciones de electrones en procesos catalíticos, resolviendo un enigma centenario. Su nueva técnica, llamada Isopotential Electron Titration (IET), revela cómo interactúan las moléculas con metales preciosos como el oro, la plata y el platino. Los hallazgos, publicados en ACS Central Science, podrían acelerar el desarrollo de catalizadores eficientes para la energía y la fabricación.
Los catalizadores son vitales en industrias como la farmacéutica, las baterías y la refinación de petróleo, donde reducen las necesidades energéticas de las reacciones químicas para mejorar la velocidad y la eficiencia. Durante más de 100 años, los científicos sabían que las moléculas intercambian pequeñas porciones de electrones con superficies metálicas durante la catálisis, pero la medición directa de estas fracciones había permanecido esquiva.
El avance provino de investigadores del College of Science and Engineering de la University of Minnesota Twin Cities y del Cullen College of Engineering de la University of Houston. Usando IET, cuantificaron el intercambio de electrones en superficies catalíticas bajo condiciones relevantes. Este método proporciona datos precisos sobre el enlace, a diferencia de enfoques indirectos previos en entornos idealizados.
"Medir fracciones de un electrón a estas escalas increíblemente pequeñas proporciona la vista más clara hasta ahora del comportamiento de las moléculas en los catalizadores", dijo Justin Hopkins, estudiante de doctorado en ingeniería química de la University of Minnesota y autor principal. Los metales preciosos destacan porque permiten una transferencia óptima de electrones, permitiendo que las moléculas se unan y reaccionen de manera efectiva.
Por ejemplo, un átomo de hidrógeno en platino comparte solo el 0,2 % de un electrón, una cantidad mínima que facilita reacciones industriales. "IET nos permitió medir la fracción de un electrón compartida con una superficie catalítica en niveles incluso inferiores al uno por ciento, como en el caso de un átomo de hidrógeno en platino", explicó Omar Abdelrahman, autor correspondiente y profesor asociado en el William A. Brookshire Department of Chemical and Biomolecular Engineering de la University of Houston.
Este trabajo surge del Center for Programmable Energy Catalysis, lanzado en 2022 como parte de los Energy Frontier Research Centers del Departamento de Energía de EE. UU. El centro se enfoca en catalizadores dinámicos avanzados para materiales, químicos y combustibles. "La base para nuevas tecnologías catalíticas en la industria siempre ha sido la investigación fundamental básica", señaló Paul Dauenhauer, director del centro y profesor distinguido de la University of Minnesota. "Este nuevo descubrimiento de la distribución de electrones fraccionales establece una base científica completamente nueva para entender los catalizadores que creemos impulsará nuevas tecnologías energéticas en las próximas décadas."
IET complementa la nanotecnología y el aprendizaje automático en el diseño de catalizadores, permitiendo una identificación más rápida de materiales prometedores.