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Catalizadores s´olidos: La estructura cristalina y sus propiedades catal´ıticas Alejandro E. P´erez Mendoza 9 de mayo de 2014

Los catalizadores son una sustancia que aumenta la velocidad de una reacci´on qu´ımica, entre los catalizadores s´olidos encontramos metales, o´ xidos, estructuras de carb´on, entre otros. Un proceso catal´ıtico eficiente requiere mejorar la actividad y selectividad de los materiales usados como catalizadores, esto puede ser logrado dise˜nando y modificando la estructura de los catalizadores. Generalmente, los s´olidos est´an compuestos de a´ tomos y presentan una estructura cristalina, es decir, presentan una impresionante regularidad en sus estructuras presentando un patr´on que se repite peri´odicamente. Este hecho sugiere un modelo para estudiar los s´olidos, dedicando los esfuerzos a comprender lo que sucede en ese patr´on que se repite, que es llamado celda unitaria. Las propiedades de un s´olido, entre ellos la reactividad qu´ımica, se debe a la interacci´on entre los electrones de los a´ tomos, es decir su estructura electr´onica. Esta estructura electr´onica depende de la naturaleza qu´ımica de los elementos que componen e material y de la estructura f´ısica del mismo. Por lo que la caracterizaci´on de la estructura cristalina resulta de inter´es para estudiar las propiedades de un material y vinculandola con la estructura electr´onica se podr´ıa obtener algunas luces de como esta puede afectar la actividad catal´ıtica de un material (1) . En part´ıcular los metales de transici´on y entre ellos el platino, son de gran inter´es en procesos catal´ıticos ya que presentan un buen desempe˜no, por eso se usan en muchos procesos, en s´ıntesis org´anica, reformado de petr´oleo celdas de combustible. entre otros. El platino presenta caracter´ısticas en su estructura electr´onica que lo hacen especial, la presencia de orbitales d en el quinto nivel de energ´ıa, las bandas d le permiten interactuar con las mol´eculas de tal forma que es capaz de formar un enlace con ellas (quimiosorci´on) lo suficientemente fuerte para cubrir la superficie, pero no tan fuerte como para retener los productos y no permitir que se complete la reacci´on al bloquear la superficie. Para explicar algunas tendencias en reactividad del Pt y otros metales de transici´on se ha formulado la teor´ıa de la banda d en las que precisamente la estructura electr´onica y en part´ıcular los estados d juegan un papel principal (1;2) .

Al estudiar el Pt como superficie catal´ıtica es importante su estructura cristalina, es sabido que el platino cristaliza en una estructura c´ubica centrada en las caras como es com´un en mu˚ con estos conocimientos se pueden construir chos metales, su par´ametro de red es 3,92 A, modelos de superficies realizando un corte al seno de un material en alguno de sus planos diferentes. Entonces para definir exactamente cual superficie se considera se denota el plano con los ´ındices de Miller, se han realizado diferentes trabajos en el que se considera la reactividad del Pt en diferentes planos como los planos Pt(111), (100) y (110). encontrando que la estructura de la superficie afecta el mecanismo de reacci´on sobre la superficie. En diferentes estudios de la oxidaci´on electroqu´ımica de etanol sobre platino en celdas de combustible (3;4) se encontr´o que los productos de reacci´on eran diferentes al cambiar de superficie, sobre Pt(111) el principal producto es a´ cido ac´etico y un producto secundario es el acetaldeh´ıdo lo que indica que esta superficie no desestabiliza el enlace C-C, en el plano Pt(100) se favorece la producci´on de mon´oxido de carbono a bajos potenciales mientras que a mayores potenciales se favorece la formaci´on de a´ cido ac´etico. En la superficie Pt(110), a cualquier potencial se observa la mayor velocidad de reacci´on para romper el enlace C-C y la menor velocidad para la formaci´on de a´ cido ac´etico y acetaldeh´ıdo.Otro aspecto que se reslta es que los defectos en la superficie pueden llevar a mejorar la actividad catal´ıtica, as´ı las superficies escalonadas lleva a la mejora de la actividad en la oxidaci´on de etanol, lo que refleja que una determinada estructura en el material puede modificar sus propiedades. Estas evidencias de la sensibilidad del funcionamiento de un catalizador es bastante curiosa, para explicar esta sensibilidad puede ser u´ til usar conceptos de estructura electr´onica. Adicionalmente, estableciendo relaciones entre la estructura de la superficie y la estructura electr´onica y usando los conceptos desarrollados para explicar la reactividad en t´erminos de la estructura electr´onica puede ser posible un dise˜no mas racional de los catalizadores, donde se relaice una ingenier´ıa de la estructura electr´onica del material manipulando la estructura f´ısica y la composici´on del catalizador.

Referencias [1] J K Nø rskov, T Bligaard, J Rossmeisl, and C H Christensen. Towards the computational design of solid catalysts. Nature chemistry, 1(1):37–46, April 2009. [2] J. K Nø rskov, Frank Abild-Pedersen, Felix Studt, and Thomas Bligaard. Density functional theory in surface chemistry and catalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(3):937–43, January 2011. [3] Stanley C. S. Lai and Marc T. M. Koper. The Influence of Surface Structure on Selectivity in the Ethanol Electro-oxidation Reaction on Platinum. The Journal of Physical Chemistry Letters, 1(7):1122–1125, April 2010. [4] Flavio Colmati, Germano Tremiliosi-Filho, Ernesto R. Gonzalez, Antonio Bern´a, En-

rique Herrero, and Juan M. Feliu. Surface structure effects on the electrochemical oxidation of ethanol on platinum single crystal electrodes. Faraday Discussions, 140:379, 2009.