Los catalizadores monoatómicos presentan una actividad extraordinaria por átomo de metal. Sin embargo, la densidad de átomos metálicos es muy baja, usualmente menor al 5% en peso o 1% atómico, lo que limita su rendimiento catalítico.
En este trabajo, un grupo internacional de investigadores reportó un método general para la síntesis de catalizadores metálicos monoatómicos, con cargas de metales de transición de hasta 40% en peso o 3.8% atómico, que mejoraron varias veces los porcentajes de actividad reportados en la literatura. El método consiste en intercalar puntos cuánticos de grafeno funcionalizados con grupos amina (NH2) en una matriz de carbono utilizada como soporte. Los puntos cuánticos proporcionan sitios para anclar a los átomos de metales de transición con una densidad suficientemente alta, pero con suficiente espacio entre ellos para evitar su agregación y la formación de cúmulos o nanopartículas.
El método se probó para la dispersión de átomos de Ir, Pt y Ni. Además, se probó en la reacción de reducción electroquímica de CO2, con átomos de Ni como catalizadores monoatómicos. Se comparó el rendimiento de dos catalizadores de Ni sintetizados con cargas metálicas de 7.6% y 15% en peso. Ambos presentaron una selectividad de hasta 90% pero con muy diferente actividad. El catalizador con la más alta carga metálica (15% en peso) presentó una actividad 2.5 veces mayor que aquel con 7.5% de peso. Para demostrar las altas cargas y la ausencia de cúmulos o nanopartículas en los catalizadores, los investigadores emplearon diversas técnicas analíticas de caracterización.
Con este enfoque se espera reducir significativamente el costo de catalizadores de metales nobles como Au, Pt y Pd.
Los resultados fueron publicados en Nature Chemestry
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