Rutas alternativas para la fabricación de nanopartículas con aplicaciones en catálisis

Autor: Lidia Martínez, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

Las nanopartículas son objetos de tamaño nanométrico (típicamente de 1 a 100 nm) que, debido a sus reducidas dimensiones, tienen un número de átomos en superficie del mismo orden o incluso superior al número de átomos de volumen. Esto hace que las propiedades de un material cambien significativamente cuando está en la nanoescala. Un claro ejemplo de ello es el oro, un material ampliamente conocido por su característico color amarillo y por ser inerte tal y como lo conocemos en nuestra vida cotidiana. Pues bien, cuando lo reducimos a la escala nanométrica, su coloración cambia en función del tamaño, pudiendo ser morado, naranja o rojo. Esto se debe a un cambio en sus propiedades ópticas (como curiosidad, las vidrieras son un ejemplo de utilización de nanopartículas de Au y Ag como impurezas). Además, en la nanoescala el oro pasa de ser un material inerte a un buen catalizador del monóxido de carbono.

Un catalizador en la nanoescala ofrece la ventaja de maximizar por tanto el área superficial, aumentando en número de sitios activos, a la vez que se minimiza la carga de catalizador. Esto puede ser crucial cuando se usan catalizadores basados en metales nobles y escasos, ya que implica un ahorro en  costes significativo. Tradicionalmente los catalizadores se sintetizan por vía química. Estos métodos ofrecen un control preciso de la composición y el tamaño de las nanopartículas, pero conllevan el uso de agentes químicos que (i) en ocasiones no son amigables con el medioambiente y (ii) deben ser correctamente eliminados tras el proceso de fabricación para que no altere las prestaciones del catalizador. Existe otra ruta de síntesis que puede representar una alternativa complementaria a estos métodos: la síntesis de nanopartículas en fase gas. Éstos son métodos libres de ligandos y, por tanto, más cercanos a una síntesis verde amigable con el medioambiente. Además, estas técnicas permiten realizar de manera precisa estudios modelo con pequeños agregados de 0.5 a 2 nm (< 200 átomos), donde hay una rápida evolución de la estructura atómica y electrónica [Vadja and White, 2015]. Estas técnicas se basan en la generación de un vapor sobresaturado (habitualmente de un metal con un gas inerte) que da lugar a una condensación y coalescencia de los átomos metálicos para formar nanopartículas. Dentro de las múltiples variantes que ofrecen estos métodos, los basados en la pulverización catódica (“magnetron sputtering”), son los que ofrecen una mayor proyección para aplicaciones donde tengan que generarse grandes cantidades de nanopartículas.  Con esta técnica se han reportado, por ejemplo, estudios donde una única nanopartícula de paladio actúa como nanoportal, haciendo de electrodo de una reacción electroquímica [Datta et al.2019], o estudios con nanopartículas de aluminio donde, gracias a su resonancia de plasmón localizado en el ultravioleta, produce un aumento de la eficiencia fotocatalítica del óxido de titanio [Ghori et al., 2018]. En definitiva, este método de fabricación proporciona una plataforma idónea de fabricación de sistemas ultra-puros en ultra-alto vacío, fundamentales para estudiar las propiedades de los materiales en la nanoescala.

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), hemos desarrollado un sistema multi-magnetrón que representa una evolución de este método de fabricación, al aportar una versatilidad en cuanto a la elección no sólo de la composición, sino también de la estructura de las partículas, pudiendo por ejemplo elegir entre combinaciones de elementos que estén aleados [Martínez et al, 2012] o en capas [Llamosa et al., 2014]. Hace unos años realizamos un escalado de este equipo para lograr altos flujos de nanopartículas, manteniendo la versatilidad estructural que ofrece el diseño original [Martínez at al., 2018]. Este equipo es el corazón de Stardust, un sistema experimental único en el mundo que se ha desarrollado en el contexto del proyecto Europeo ERC Synergy grant NANOCOSMOS, para simular en el laboratorio la formación de polvo cósmico y su evolución hacia el medio interestelar [Martínez et al, 2019]. Más allá del campo de la astrofísica de laboratorio, Stardust ofrece unas posibilidades únicas de adentrarnos en la síntesis de nanopartículas con distintas estructuras para aplicaciones en catálisis, que queremos explorar en el contexto del proyecto FotoArt-CM.

Adaptado de Palmer (2018)

Referencias

Datta A., Porkovich A. J., Kumar P., Nikoulis G., Kioseoglou J., T. Sasaki, Steinhauer S., Grammatikopoulos P., Sowwan M. (2019) Single Nanoparticle Activities in Ensemble: A Study on Pd Cluster Nanoportals for Electrochemical Oxygen Evolution Reaction, J. Phys. Chem. C, 123 (43) 26124-26135.

Ghori M. Z., Veziroglu S., Hinz A., Shurtleff B. B., Polonskyi O., Strunskus T., Adam J., Faupel F., Aktas O. C. (2018), Role of UV Plasmonics in the Photocatalytic Performance of TiO2 Decorated with Aluminum Nanoparticles, ACS Appl. Nano Mater. 1 (8) 3760-3764.

Llamosa D., Ruano M., Martínez L., Mayoral A., Roman E., García-Hernández M., Huttel Y. (2014), The ultimate step towards a tailored engineering of core@shell and core@shell@shell nanoparticles, Nanoscale, 6, 13483-13486.

Martínez L., Díaz M., Román E., Ruano M., Llamosa D., Huttel Y. (2012) Generation of nanoparticles with adjustable size and controlled stoichiometry: recent advances, Langmuir, 28 (30) 11241-11249.

Martínez L., Lauwaet K., Santoro G., Sobrado J.M., Peláez R.J., Herrero V.J., Tanarro I., Ellis G., Cernicharo J., Joblin C., Huttel Y., Martín-Gago J.A. (2018), Precisely controlled fabrication, manipulation and in-situ analysis of Cu based nanoparticles, Scientific Reports, 8,  7250.

Martínez, L., Santoro, G., Merino, P., Accolla M., Lauwaet K., Sobrado J., Sabbah H., Pelaez R. J., Herrero V. J., Tanarro I., Agúndez M., Martín-Jimenez A., Otero R., Ellis G. J., Joblin C., Cernicharo J. and Martín-Gago J. A. (2019) Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes. Nat. Astron., doi:10.1038/s41550-019-0899-4.

Palmer R. E., Cai R., Vernieres J. (2018), Synthesis without Solvents: The Cluster (Nanoparticle) Beam Route to Catalysts and Sensors, Acc. Chem. Res., 51 (9) 2296-2304.

Vadja S., White M. G. (2015) Catalysis Applications of Size-Selected Cluster Deposition, ACS Catalysis, 5, 7152-7176.

Contacto

Jose Ángel Martín Gago, Responsable de Grupo ESISNA del Programa FotoArt-CM.– gago@icmm.csic.es

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.