Los catalizadores juegan un papel fundamental en la industria moderna. Hoy, los catalizadores están involucrados en la producción de más del 80% de todos los productos manufacturados, además, aproximadamente el 90% de todos los productos químicos industriales producidos en el mundo utilizan catalizadores dentro del proceso de fabricación.
Si bien “catalizador para el cambio” se ha convertido en parte de nuestro vocabulario cotidiano, en el mundo de la ciencia de los materiales, un catalizador se refiere a una sustancia que inicia o acelera una reacción química sin que ella misma cambie química o físicamente. Muchos de los materiales que los seres humanos disfrutan en su vida diaria dependen de catalizadores, desde la producción de botellas de plástico a partir del petróleo hasta la fabricación de papel a partir de pulpa y la conversión de leche en queso. Además, los catalizadores pueden ayudar al medio ambiente al reducir los subproductos tóxicos de la fabricación, desbloquear los biocombustibles y generar baterías más eficientes.
Debido a que los catalizadores juegan un papel importante en la producción industrial de materiales y la protección ambiental, los ingenieros químicos, gerentes de planta, técnicos de control de calidad e investigadores requieren una batería de instrumentos científicos para caracterizar la catálisis. Es de particular interés comprender el espesor, la distribución y la composición química de un catalizador en relación con su material de soporte; utilizar demasiado material puede desperdiciar productos preciosos como el platino, mientras que muy poco material o una mala distribución puede hacer que el catalizador sea ineficaz.
Imagen de microscopía electrónica de transmisión de campo brillante de puntos cuánticos de óxido de hierro, se utiliza como catalizador en una variedad de reacciones de procesamiento químico. (Datos cortesía del Centro Regional de Tecnologías y Materiales Avanzados. Universidad Palacky, Olomouc, República Checa).
A medida que los investigadores trabajan para caracterizar los catalizadores, normalmente recurren a una variedad de técnicas científicas:
- Espectrometría de fluorescencia de rayos X
El XRF revela la composición elemental de los materiales midiendo las emisiones de rayos X características en el instrumento XRF. Dado que la mayoría de los catalizadores heterogéneos están compuestos de materiales elementales, el XRF suele ser una técnica de primera línea para validar la calidad y cantidad de los elementos en un material catalítico.
- Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X
El XPS es una de las técnicas analíticas más sensibles a la superficie. De naturaleza similar a la fluorescencia de rayos X, el XPS detecta emisiones de fotoelectrones de una muestra excitada. Dado que los fotoelectrones tienen energías muy débiles en comparación con los rayos X característicos, el XPS revela información química solo de las pocas capas superiores de átomos. En el campo de la catálisis, esta es una información de gran utilidad. Por ejemplo, el XPS puede determinar los cambios en los estados químicos en un catalizador que ha estado expuesto al aire en comparación con una muestra prístina, también puede ilustrar el desempeño de un catalizador al estudiar la calidad de los materiales activos en el proceso catalítico.
- Difracción de rayos X
La XRD caracteriza materiales cristalinos y se puede utilizar para determinar el tamaño de cristalito de nanopartículas que transportan un material catalizador. Este análisis es particularmente útil para determinar la calidad del catalizador en un proceso de reciclaje.
- Espectroscopia infrarroja
FTIR interroga enlaces moleculares, se pueden configurar ciertos experimentos para controlar la actividad de los catalizadores a base de ácido cuando el material catalítico se introduce en un reactivo. El FTIR se puede analizar en sitio (en su propia condición ambiental) e incluso operado (a medida que tiene lugar la reacción) para probar los estados de funcionamiento de los catalizadores.
- Espectroscopia Raman
La espectroscopia Raman también proporciona información sobre moléculas y es complementaria al FTIR. Raman muestra las ligeras diferencias en los sitios químicos en un material catalizador que pueden afectar la reactividad de los distintos sitios, lo que ayuda a los ingenieros a optimizar el material catalítico para una mayor eficiencia. La espectroscopia Raman y la espectroscopia infrarroja se pueden usar microscópicamente para estudiar partículas catalíticas tan pequeñas como 1 micrón para microscopía Raman y 10 micrones para microscopía infrarroja.
Microscopio de electrones
El EM es capaz de examinar materiales hasta el nivel subangstrom, lo que permite visualizar la morfología y la distribución elemental de un catalizador. Al combinar la microscopía electrónica con la espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS), la instrumentación actual permite el análisis automatizado de nanopartículas de la estructura del material y la química de los catalizadores y sus materiales portadores, lo que permite a los investigadores analizar la calidad de los catalizadores y desarrollar nuevos materiales catalíticos.
Si bien ninguna técnica analítica es capaz de estudiar y monitorear completamente los catalizadores y sus materiales activados, los investigadores pueden obtener la información que necesitan usando varias técnicas en combinación.
Para obtener más información sobre las técnicas de caracterización de catalizadores y su valor industrial, vea nuestro seminario web On demand, “Caracterización de Catalizadores”.
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