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Visualising Electrocatalysis at the Nanoscale

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Actividad catalítica de las nanopartículas individuales

La electrocatálisis desempeña un papel crítico en muchas tecnologías energéticas nuevas, como es el caso de las celdas de combustible. Un nuevo estudio financiado por la UE arroja luz sobre los mecanismos de la actividad electrocatalítica a nivel de nanopartículas (NP) individuales y apunta a nuevas vías de optimización.

Energía

Existe un notable interés a nivel mundial en los sistemas de NP de metales nobles en soportes tipo electrodo de carbono nanoestructurado. Los soportes suelen consistir en grafeno, nanotubos de carbono de pared simple, grafito o diamante conductivo. La explotación eficaz de dichos sistemas electrocatalíticos pasa por una comprensión profundamente detallada de los procesos al nivel de las NP individuales. La colaboración entre laboratorios expertos en electrocatálisis y en electroquímica y tratamiento de imagen de alta resolución, orientada al proyecto «Visualising electrocatalysis at the nanoscale» (VISELCAT), ha resultado muy fructífera. Al éxito ha contribuido el desarrollo por parte del equipo científico de la microscopia electroquímica de barrido (SECCM), una técnica pionera capaz de sondear ubicaciones individuales en superficies de electrodos. Esta resolución espacial y temporal extremadamente alta ha permitido dar respuesta por primera vez a muchas incógnitas sobre las propiedades de la transferencia electrónica en los materiales de soporte de los electrodos. En concreto, ciertos trabajos punteros sobre el grafito pirolítico altamente orientado han puesto al descubierto la necesidad de revisar los libros de texto actuales. El equipo investigador también ha empleado la SECCM para estudiar la formación de NP, lo cual ha revelado la hasta ahora infravalorada importancia de la interacción entre NP y materiales de substrato. Los hallazgos producidos sirven de guía en los nuevos estudios acerca de los procesos de electrodeposición. Por último, el equipo científico ha estudiado materiales electrocatalíticos con la SECCM. Los hallazgos muestran que las estructuras granulares y la orientación superficial de los granos individuales son relevantes de cara a la reactividad localizada. Los estudios sobre la reactividad de NP individuales dentro de un grupo de NP de platino sobre un único nanotubo de carbono han mostrado que variaciones pequeñas en la morfología de las NP producen cambios drásticos de reactividad. Un montaje innovador que combina una pipeta muy reducida con la SECCM ha facilitado el estudio del depósito de NP individuales sobre materiales de substrato en electrodos. La baja intensidad de fondo ha permitido a los científicos detectar señales de intensidad mínimas provenientes de las NP con una buena resolución temporal. De esta manera, el equipo ha podido caracterizar por primera vez propiedades electroquímicas y físicas combinadas al nivel de las NP individuales. Estos hallazgos ya se han divulgado en forma de ocho artículos arbitrados en publicaciones científicas principales, y se está preparando más material. Los resultados y técnicas del proyecto VISELCAT abren el camino a la optimización de la electrocatálisis a través de la manipulación del tamaño y la actividad catalítica de los nanocatalizadores al nivel de las NP individuales. Su implantación a gran escala apunta a avances rápidos y progresos largamente esperados en la electrocatálisis en ámbitos como los sistemas de generación, los sensores, la purificación del agua y la síntesis química.

Palabras clave

Nanopartícula, actividad catalítica, electrocatálisis, tecnologías energéticas, actividad electrocatalítica, nanopartículas individuales, electrodo de carbono, electroquímica, nanobalanza, microscopia electroquímica de barrido, grafito pirolítico, transfe

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