El platino es un material de referencia en los estudios de las reacciones químicas gas-sólido. En las cuatro últimas décadas se han publicado decenas de trabajos sobre los fundamentos de las reacciones químicas y catalíticas utilizando superficies de cristales de platino como modelo. La importancia del platino (Pt) radica, precisamente, en que es un elemento básico en los conversores catalíticos o catalizadores usados en la industria del automóvil. De hecho, los catalizadores modernos incluyen superficies de óxidos como soporte de nanopartículas de Pt. Estas nanopartículas de Pt son las responsables de acelerar y optimizar el proceso de conversión del monóxido de carbono (CO), altamente tóxico, en dióxido de carbono (CO2), un gas inocuo y naturalmente presente en la atmósfera.

Los científicos hasta ahora se han centrado en usar monocristales planos, es decir, muestras de cristales con una sola cara o plano ordenado, para tratar de entender cuál es el proceso de oxidación del CO en las superficies metálicas. El objetivo es identificar las posiciones atómicas activas y regular la cinética de la reacción, siendo la técnica analítica más poderosa para realizar ese tipo de estudios la fotoemisión mediante rayos X.

Ahora, en un trabajo publicado esta semana en la prestigiosa revista Nature Communications, un grupo de investigadores del DIPC y el Centro Mixto de Física de Materiales (CFM) ha demostrado que los cristales curvados de platino también pueden ser utilizados en estudios de fotoemisión de rayos X de alta resolución en sincrotrones. La parte experimental de dicho trabajo se ha realizado en el Laboratorio de Nanofísica del CFM, y se ha completado en el sincrotrón de la Universidad sueca de Lund. Los resultados de Walter et al. suponen un nuevo empuje a la investigación fundamental en el campo. En los cristales curvados, al contrario de lo que ocurre en un monocristal plano, la densidad de posiciones atómicas activas, es decir, la densidad de escalones atómicos, va cambiando de forma suave y progresiva en la misma muestra, facilitando un análisis racional y preciso del papel que juegan dichos sitios activos en una reacción química dada. En palabras del Profesor de la UPV/EHU Enrique Ortega "la ventaja de trabajar con un cristal curvado es que en una única muestra tienes infinitas superficies del mismo cristal. Es como si pudieras hacer docenas de experimentos a la vez, ganando en rapidez, y sobre todo en precisión y fiabilidad. Aseguras que las reacciones químicas se realizan en las mismas condiciones en todos los planos cristalinos, mientras varias controladamente su característica más relevante, la densidad de sitios activos".

Mediante un barrido con el haz de rayos X sobre la superficie del cristal curvado de Pt, Walter el at. han visualizado fácilmente la estructura de escalones atómicos, las sutiles relajaciones que los escalones permiten en el cristal de Pt, y finalmente han podido estudiar la influencia de todas esas propiedades en una reacción sencilla de adsorción de CO. Los experimentos de fotoemisión han sido combinados con otras técnicas de caracterización experimental, así como con cálculos teóricos. Los resultados presentados abren la puerta al uso de los cristales curvados en el estudio de las reacciones químicas en superficies metálicas, ofreciendo la prospectiva de investigar la actividad química de superficies bajo condiciones de presión reales. 

Los cristales curvados de Pt que los científicos han usado en este estudio han sido manufacturados por Bihurcrystal, una compañía donostiarra que vio la luz en el año 2013 como start-up gracias al apoyo del CFM y el DIPC. Cuando aún se estaba gestando el proyecto de Bihurcrystal, la iniciativa empresarial obtuvo varios premios por su carácter innovador. Hoy esos premios están avalados, puesto que los productos que comercializa esta joven start-up se usan en estudios experimentales luego publicados en revistas científicas de prestigio. 

Referencia publicación

X-ray photoemission analysis of clean and carbon monoxide chemisorbed platinum(111) stepped surfaces using a curved crystal. A.L. Walter, F. Schiller, M. Corso, L. R. Merte, F. Bertram, J. Lobo-Checa, M. Shipilin, J. Gustafson, E. Lundgren, A. X. Brión-Ríos, P. Cabrera-Sanfelix, D. Sánchez-Portal and J. E. Ortega. Nature Communications (2015). DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms9903

Foto: DIPC. UPV/EHU