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Catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo: una tecnolog�a incipiente

 

Single Atom High Performance Catalysts - A Fledgling Technology

 

Catalisadores de alto desempenho de �tomo �nico - uma tecnologia incipiente

 

Remilton Agustin Ramirez-Reyes ^I

remiltonramirezreyes@gmail.com

https://orcid.org/0000-0003-3944-6539 ��

 

Jeniffer Lucia Mora-Loor ^II

jemo_158@hotmail.com

https://orcid.org/0000-0001-7344-0726 ��

 

Katherine Elizabeth Bustamante-Pesantes ^III

katybupe84@hotmail.com

https://orcid.org/0000-0002-3108-9736

 

 

 

Correspondencia: remiltonramirezreyes@gmail.com

 

Ciencias econ�micas y empresariales ��

Art�culo de investigaci�n

 

 

*Recibido: 15 de agosto de 2020 *Aceptado: 10 de septiembre 2020 * Publicado: 01 de octubre de 2020

 

 

       I.            Mag�ster en Microbiolog�a Menci�n Industrial, Qu�mico y Farmac�utico, Unidad de Postgrados de la Universidad de Guayaquil � Facultad de Ciencias M�dicas, Guayaquil, Ecuador

    II.            Mag�ster en Bioqu�mica Cl�nica, Qu�mico y Farmac�utico, Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

�III.            Mag�ster en Administraci�n Ambiental, Diploma Superior en Marketing Farmac�utico, Qu�mica y Farmac�utica, Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

Resumen

El objetivo de este estudio fue analizar los catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo, como una tecnolog�a incipiente de las energ�as limpias. En consecuencia, se ha seguido una metodolog�a basada en la compilaci�n bibliogr�fica referente a la tem�tica tratada, desde enfoque interpretativo-deductivo, bajo el tipo de una investigaci�n documental-bibliogr�fica. En funci�n de ello, se realiz� una revisi�n bibliogr�fica de varios textos de acad�micos publicados entre los a�os 2015 y 2020, no obstante, se incluy� trabajos de a�os anteriores a la fecha mencionada dada la significancia para este estudio. El criterio de selecci�n se bas� en aspectos como aportes, pertinencia y relevancia. Se encontr� entre los resultados que: los catalizadores a base de platino (Pt) se han considerado los electrocatalizadores m�s efectivos para la reacci�n de evoluci�n de hidr�geno en la divisi�n del agua; el desarrollo de un prometedor catalizador de nanotubos de grafeno y carbono; un solo �tomo de platino puede actuar como catalizador en la conversi�n de mon�xido de carbono en CO2. Se concluye que los catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo, son de inter�s cient�fico y tecnol�gico, son candidatos prometedores para una conversi�n de energ�a limpia y eficiente en el futuro, puesto que, pudiera aplicarse f�cilmente a los procesos existentes.

Palabras clave: catalizadores; reacciones; �tomos

 

Abstract

The aim of this study was to analyze single-atom high-performance catalysts as an emerging clean energy technology. Consequently, a methodology based on the bibliographic compilation referring to the subject dealt with, from an interpretative-deductive approach, has been followed, under the type of a documentary-bibliographic investigation. Based on this, a bibliographic review of several academic texts published between 2015 and 2020 was carried out, however, works from years prior to the mentioned date were included given the significance for this study. The selection criteria were based on aspects such as contributions, relevance and relevance. It was found among the results that: platinum-based catalysts (Pt) have been considered the most effective electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction in the division of water; the development of a promising carbon-graphene nanotube catalyst; a single platinum atom can act as a catalyst in the conversion of carbon monoxide to CO2. It is concluded that single atom high performance catalysts are of scientific and technological interest, they are promising candidates for a clean and efficient energy conversion in the future, since they could be easily applied to existing processes.

Keywords: catalysts; reactions; atoms

 

Resumo

O objetivo deste estudo foi analisar catalisadores de alto desempenho de �tomo �nico como uma tecnologia emergente de energia limpa. Consequentemente, seguiu-se uma metodologia baseada na compila��o bibliogr�fica referente ao assunto tratado, a partir de uma abordagem interpretativo-dedutiva, sob a forma de investiga��o documental-bibliogr�fica. Com base nisso, foi realizada uma revis�o bibliogr�fica de diversos textos acad�micos publicados entre 2015 e 2020, por�m, foram inclu�dos trabalhos de anos anteriores � referida data, dada a signific�ncia para este estudo. Os crit�rios de sele��o foram baseados em aspectos como contribui��es, relev�ncia e relev�ncia. Dentre os resultados encontrados, constatou-se que: os catalisadores � base de platina (Pt) t�m sido considerados os eletrocatalisadores mais eficazes para a rea��o de evolu��o do hidrog�nio na divis�o da �gua; o desenvolvimento de um promissor catalisador de nanotubo de carbono-grafeno; um �nico �tomo de platina pode atuar como um catalisador na convers�o de mon�xido de carbono em CO2. Conclui-se que catalisadores de alto desempenho de �tomo �nico s�o de interesse cient�fico e tecnol�gico, pois s�o candidatos promissores para uma convers�o de energia limpa e eficiente no futuro, uma vez que podem ser facilmente aplicados a processos existentes.

Palavras-chave: catalisadores; rea��es; �tomos.

 

Introducci�n

Desde que se descubri� la cat�lisis hace m�s de 150 a�os, se ha empleado como herramienta para conseguir avances significativos en diversas �reas. Es as� que, la industria qu�mica supone alrededor de un ~6% del producto interior bruto (PIB) mundial y se estima que el 80% de los procesos qu�micos que se llevan a cabo a nivel industrial son catalizados. (Rivero, 2018)

Para describir el comportamiento de un catalizador, es absolutamente indispensable evaluar sus propiedades catal�ticas (actividad, selectividad y estabilidad) de manera que se pueda estimar que tan eficiente resulta su preparaci�n y aplicaci�n en determinadas reacciones. (Barrera, 2004). En tal sentido, esta misma autora manifiesta que: una buena actividad, es decir, una velocidad de reacci�n elevada, representa una productividad elevada. Una buena selectividad permite obtener buenos rendimientos del producto deseado, reprimiendo reacciones indeseadas, paralelas o consecutivas. (Barrera, 2004). La estabilidad viene dada por la capacidad del catalizador de mantener su actividad catal�tica. (P�rez & Scott, 2002)

El proceso de cat�lisis, puede ser: cat�lisis homog�nea y cat�lisis heterog�nea. La cat�lisis homog�nea tiene lugar cuando los reactivos y el catalizador se encuentran en la misma fase, ya sea l�quida o gaseosa. Por su parte, la cat�lisis heterog�nea se produce entre dos fases, que pueden ser: s�lido-gas � l�quido-s�lido. De acuerdo con, (Noval, Ochoa, & Carrizo, 2017), recientemente la cat�lisis heterog�nea se ha convertido en una herramienta estrat�gica tecnol�gica debido a sus ventajas relacionadas con los procesos de producci�n, competitividad y econom�a. Los referidos autores, tambi�n se�alan que; esta cat�lisis se aplica en diversas transformaciones qu�micas a nivel industrial, por ejemplo en la refiner�a de petr�leo, en la s�ntesis de productos de qu�mica fina y farmac�uticos y en diversas s�ntesis org�nicas. Otro se�alamiento, da cuenta de que; muchos de estos procesos de cat�lisis heterog�nea han integrado el uso de catalizadores con part�culas de tama�o nanom�trico. (Noval, Ochoa, & Carrizo, 2017). Por tanto, la cat�lisis heterog�nea es la de m�s uso a nivel industrial, sobre todo por la posibilidad de recuperaci�n y reutilizaci�n del catalizador.

Catalizadores de un solo �tomo

La cat�lisis de un solo �tomo (single-atom catalysts, SACs), es un campo de investigaci�n nuevo y extremadamente prometedor. La incorporaci�n correcta de �tomos met�licos individuales en una superficie permite adaptar su comportamiento qu�mico. Esto hace posibles nuevos y mejores catalizadores. En la ciencia de la cat�lisis, el nuevo campo de SACs con �tomos met�licos aislados dispersos en soportes s�lidos ha atra�do una gran atenci�n de investigaci�n debido a la m�xima eficiencia de utilizaci�n de �tomos y las propiedades �nicas de los SACs. (Tavakkoli, 2020). En tal sentido, los catalizadores a base de platino (Pt) se han considerado los electrocatalizadores m�s efectivos para la reacci�n de evoluci�n de hidr�geno en la divisi�n del agua. Reducir el tama�o de las nanopart�culas del catalizador a �tomos individuales es altamente deseable para maximizar su eficiencia al utilizar casi todos los �tomos de platino (Pt).

A tal efecto, (Rivero, 2018), se�ala que; el desarrollo de las nanopart�culas ha revolucionado la cat�lisis y la industria qu�mica en estas �ltimas d�cadas. (Kitagawa & Matsuda, 2007), definen las nanopart�culas met�licas (NPs) como part�culas con un tama�o inferior a 100 nm en alguna de las tres direcciones del espacio y se han empleado ampliamente en cat�lisis.

Es as� que, los catalizadores de Pt de un solo �tomo se han utilizado �nicamente en pilas de combustible de baja temperatura, como las pilas de combustible de membrana de pol�mero electrol�tico, que se utilizan para veh�culos el�ctricos de hidr�geno. Los catalizadores de �tomos de platino individuales se investigan para la reacci�n de evoluci�n de hidr�geno, donde exhiben una actividad catal�tica significativamente mejorada (hasta 37 veces) y una alta estabilidad en comparaci�n con los catalizadores comerciales de platino / carbono de �ltima generaci�n.

En la literatura cient�fica, se ha se�alado el desarrollo de un prometedor catalizador de nanotubos de grafeno y carbono. El nuevo material da un mejor control sobre las reacciones qu�micas que son de gran importancia para producir combustible de hidr�geno, que es una de las alternativas limpias y sostenibles m�s prometedoras a los combustibles f�siles. (Tavakkoli, 2020)

Las ventajas del hidr�geno como fuente energ�tica, no residen �nicamente en el hecho de ser una materia prima pr�cticamente inagotable, cuyo calor de combusti�n con ox�geno (14.19�104 Kj/kg) es bastante superior al de los combustibles f�siles cl�sicos como la gasolina (~4.5�104 Kj/kg) sino que, adem�s, su combusti�n no produce CO2, sino exclusivamente vapor de agua, lo que le convierte en un candidato ideal para la reducci�n del llamado �efecto invernadero�. (Ocsachoque, 2012)

As� tambi�n, en un estudio llevado a cabo por los investigadores (McEwen & Sykes, 2019), se indica que; un solo �tomo de metal puede actuar como catalizador en la conversi�n de mon�xido de carbono en CO2, reacci�n com�n en catalizadores para eliminar gases del escape de los autom�viles. Estos cient�ficos, demostraron que la reacci�n puede funcionar con �tomos de platino individuales en un soporte de �xido de cobre cerca de la temperatura ambiente. El �tomo de platino contiene el mon�xido de carbono mientras que el �xido de cobre suministra el ox�geno para convertirlo en di�xido de carbono.

Sobre la base de las consideraciones anteriores, se realiz� este estudio cuyo prop�sito estuvo enfocado en el an�lisis de los catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo, como una tecnolog�a incipiente, de las energ�as limpias.

 

Metodolog�a

La presente investigaci�n, se enmarc� dentro del paradigma cualitativo, por cuanto busca un acercamiento al conocimiento a partir del an�lisis de la producci�n de informaci�n cient�fica, bajo el enfoque interpretativo, por tanto ser� una investigaci�n de tipo documental-bibliogr�fica. Como forma de realizar esta investigaci�n se realiz� una b�squeda en las plataformas digitales de fuentes bibliogr�ficas bajo el criterio de rigor cient�fico. La variable estudiada se corresponde con: catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo. Como t�cnica principal de recopilaci�n de la informaci�n, se utiliz� la b�squeda avanzada a trav�s de descriptores clave, relacionadas con; cat�lisis, catalizadores, �tomos. A partir de la contextualizaci�n de la informaci�n se logr� obtener una base pormenorizada de datos v�a online de art�culos cient�ficos, trabajos de grado, y tesis doctorales, de autores de diferentes pa�ses, consideradas relevantes para el desarrollo de este estudio. Todas las fuentes consultadas est�n directamente relacionadas con la variable de la investigaci�n. Los criterios utilizados para la selecci�n del material consultado fueron entre otros, la relaci�n con la tem�tica de� investigaci�n, a�o de publicaci�n desde 2015 hasta la actualidad, relevancia y pertinencia. Asimismo, se tomaron en cuenta para este an�lisis fuentes bibliogr�ficas, que independientemente de su a�o de publicaci�n, fueron consideradas relevantes para esta investigaci�n. Por �ltimo, se organiz�, clasific� y analiz� el contenido y se presentaron las conclusiones m�s relevantes.

 

Conclusiones

Evidentemente, los catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo, son de inter�s cient�fico y tecnol�gico, son candidatos prometedores para una conversi�n de energ�a limpia y eficiente en el futuro, puesto que, pudiera aplicarse f�cilmente a los procesos existentes. La incorporaci�n correcta de �tomos met�licos individuales en una superficie permite adaptar su comportamiento qu�mico. Esto hace posibles nuevos y mejores catalizadores. A tal fin, se han hecho esfuerzos para convertir los catalizadores en part�culas cada vez m�s finas. En el mejor de los casos, el catalizador podr�a estar formado por �tomos de catalizador individuales, y todos estar�an activos de la manera correcta.

La tecnolog�a de los catalizadores de alto rendimiento de un solo �tomo, busca incorporar alternativas altamente activas y estables compuestas de elementos econ�micos y abundantes en la tierra como metales de transici�n, carbono y nitr�geno. Estos catalizadores pueden usarse en diversas reacciones que involucran los procesos de energ�as renovables.

 

 

Referencias

1.      Barrera, B. (2004). Preparaci�n y caracterizaci�n de los catalizadores bifuncionales monomet�licos y bimet�licos del tipo Pt-Sn/H[Al]ZSM5 Y Pd-Sn/H[Al]ZSM5. Universidad Central de Venezuela. Trabajo de fin de Grado, 192.

2.      Kitagawa, S., & Matsuda, R. (2007). Chemistry of coordination space of porous coordination polymers. Coord. Chem. Rev. 251 (21-24), 2490-2509.

3.      McEwen , J., & Sykes, C. (2019). Un solo �tomo de metal act�a como catalizador y convierte mon�xido de carbono en CO2. Revista Nature Catalysis. Universidades de Washington State y Univeridad de Tufts.

4.      Noval, V., Ochoa, C., & Carrizo, J. (2017). Magnetita (Fe3O4): Una estructura inorg�nica con m�ltiples aplicaciones en cat�lisis heterog�nea. Revista Colombiana de Qu�mica, vol. 46, n�m. 1, 2017. Universidad Nacional de Colombia, 1-17.

5.      Ocsachoque, M. (2012). Desarrollo de catalizadores met�licos soportados para la obtenci�n de gas de s�ntesis. Universidad Nacional de la Plata, Argentina. Tesis Doctoral., 191.

6.      P�rez , M., & Scott, C. (2002). Preparaci�n de Catalizadores Industriales en Primera Escuela Iberoamericana sobre Preparaci�n, Caracterizaci�n y Escalamiento de.

7.      Rivero, M. (2018). Cl�steres y �tomos aislados de platino como catalizadores para reacciones qu�micas de inter�s industrial. Universidad Polit�cnica de Valencia, Espa�a. Tesis Doctoral, 302.

8.      Tavakkoli, M. (2020). Un nuevo catalizador podria alimentarla revolucion de la energia limpia. Universidad de Aalto, Finlandia.

 

 

 

 

 

 

�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

 

 

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