Utilizar materias primas de forma más sostenible

La elucidación experimental de las estructuras en la interfaz entre un catalizador en funcionamiento y las moléculas que reaccionan es la clave para una comprensión fundamental de la catálisis heterogénea. Investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck han reasignado el espectro vibratorio del pentóxido de vanadio, un importante catalizador para la síntesis de productos valiosos mediante la reacción de moléculas orgánicas con oxígeno en fase gaseosa, y han podido dilucidar qué centros Están involucrados en la activación de la molécula de oxígeno y la oxidación de los hidrocarburos. En la estructura cristalina del pentóxido de vanadio, se distinguen tres tipos diferentes de átomos de oxígeno por la forma en que se unen a los átomos de vanadio vecinos. Los espectros vibratorios del óxido medidos mediante espectroscopía Raman difieren cuando los átomos de oxígeno con una masa atómica regular de 16 se intercambian por el isótopo de oxígeno más pesado con una masa de 18. Ahora los investigadores han simulado los espectros Raman para los casos en los que solo uno de los tres Las posiciones en el sólido o las tres están ocupadas por un átomo de oxígeno más pesado. Comparando los espectros calculados con los espectros medidos en presencia de oxígeno marcado isotópicamente, el equipo del Instituto Fitz Haber demostró cuál de los tres átomos de oxígeno diferentes en la red del catalizador reacciona con la fase gaseosa. Gracias a la estructura bien definida del sólido y al hecho de que las investigaciones se llevaron a cabo en condiciones de catálisis realistas, fue posible sacar conclusiones verificadas experimentalmente sobre la influencia de las condiciones de reacción en la oxidación del propano sobre la estructura del catalizador de trabajo. El tipo de átomo de oxígeno y si en la reacción intervienen sólo la superficie del sólido o también centros en capas más profundas depende de la temperatura y de la composición química de la fase gaseosa. Esta información es importante porque diferentes especies de oxígeno dirigen la reacción superficial hacia productos de oxidación valiosos o hacia una combustión total del hidrocarburo a dióxido de carbono. Se demostró que sólo a temperaturas muy altas y en condiciones fuertemente reductoras se intercambian átomos de oxígeno en la red del catalizador por átomos de oxígeno de la fase gaseosa. En condiciones en las que el catalizador produce productos de reacción de alto valor como propileno u oxigenados, esto difícilmente ocurre y sólo se puede medir después de largos periodos de funcionamiento. Esto significa que se deben reconsiderar los conceptos mecanicistas y de diseño establecidos en la catálisis de oxidación para lograr un uso sostenible de las materias primas evitando su combustión total en dióxido de carbono.