Los catalizadores de un solo átomo (CSA) han surgido recientemente como una nueva clase de catalizadores para reacciones químicas y electroquímicas, con un gran potencial para la catálisis industrial en el futuro. Su principal característica es que el metal catalizador se dispersa al 100 % y eso permite optimizar plenamente su función. Por ejemplo, un CSA puede consistir en átomos de paladio dispersos atómicamente en una superficie soporte de Cu.
Los catalizadores heterogéneos de metales nobles sobre soportes han sido muy usados por su capacidad para activar diversas moléculas de importancia industrial. Pero el problema es que los metales nobles son escasos y caros. Se ha intentado reemplazarlos con materiales más económicos, pero no resultan tan efectos en ciertos procesos químicos. Por eso, la otra estrategia posible es seguir usando metales nobles pero de manera más eficiente.
En ese sentido, y teniendo en cuenta que solo los átomos de metal en la superficie del soporte están efectivamente involucrados en el proceso de catálisis heterogénea, se pensó en dispersar al máximo el metal, lo que se puede conseguir completamente si se evitan los agregados atómicos, es decir, si se consigue que los átomos de los metales nobles queden completamente separados unos de otros en la superficie del soporte. Si se logra se dice que el catalizador está atómicamente disperso. Puede estar en forma de complejo metálico mononuclear o bien como átomos metálicos únicos anclados en el soporte. Cuando el metal está disperso en un 100% se ha comprobado en muchos casos que su capacidad catalítica es máxima.
El rendimiento catalítico superior de los CSA se puede atribuir a que:
- los átomos individuales son más fáciles de anclar a los soportes debido a la menor coordinación;
- los catalizadores metálicos de un solo átomo interaccionan fuertemente con el soporte, lo que hace que los procesos de transferencia de carga (si se necesitan para una reacción determinada) sean más eficientes;
- los átomos metálicos únicos evitan problemas asociados con los efectos del tamaño de las partículas;
Un átomo individual carece de superficie metálica, por lo que el modelo de adsorción en este caso es significativamente diferente al de las nanopartículas metálicas.
Los CSA han demostrado rendimientos catalíticos notables, como alta actividad y selectividad. Su desarrollo tiene varios desafíos, entre los cuales podemos citar estos:
- cómo estabilizar el material evitando su agregación durante la fabricación, el almacenamiento y el transcurso de las propia reacción catalítica;
- cómo realizar su síntesis controlable;
- cómo ampliar el espectro de aplicaciones catalíticas;
- cómo lograr una producción en masa escalable a bajo costo.
Los metales que más se están usando como CSA son los que se destacan en la siguiente tabla periódica:
Quizá la primera investigación sobre los CSA data de 2011, cuando se estudió la oxidación de monóxido de carbono (CO) utilizando Pt1/FeOx. Algo más tarde se probó la efectividad de átomos de Pd dispersos atómicamente en una superficie de Cu en la catálisis de la hidrogenación altamente selectiva de estireno y acetileno. Otras reacciones que se han probado con éxito son la de desplazamiento de gas de agua, algunas electroquímicas como la reacción de evolución de hidrógeno o la de reducción de oxígeno e incluso pirolíticas. Con los años se han ido abriendo nuevas vías para el diseño específico a nivel atómico de este tipo catalizadores.
Fuentes:
- J. Mater. Chem. A, 2018,6, 8793-8814 (doi.org/10.1039/C8TA01940A)
- Imagen de cabecera: www. nature. com.
