Investigadores de China, descubren motivos activos reconstruidos para la oxidación parcial eficiente del metano
Beijing, China, Asia.- La oxidación parcial del metano (POM, por sus siglas en inglés) ofrece una vía industrial prometedora para la producción de gas de síntesis. Durante mucho tiempo, las nanopartículas de níquel metálico (Ni) se han considerado los centros activos catalíticos de esta reacción. Sin embargo, el Ni metálico detectado tras la reacción podría ser simplemente el producto de la reducción del óxido de níquel por el gas de síntesis a altas temperaturas, en lugar de la especie activa intrínseca.
En condiciones redox de alta temperatura, las especies de Ni experimentan cambios dinámicos en su estado de valencia y una reconstrucción estructural. No obstante, estos procesos evolutivos no se han comprendido bien, lo que ha dificultado la identificación de la estructura real del sitio activo para la POM.
En un estudio reciente publicado en *Nature Catalysis*, unos investigadores revelaron que es posible generar motivos activos *in situ* mediante la reconstrucción de la superficie de NiO durante la POM. Estos hallazgos identifican el origen de la actividad catalítica a escala atómica y demuestran la importancia de captar la evolución estructural dinámica en condiciones operativas realistas.
La investigación fue dirigida por los profesores ZHANG Tao, WANG Aiqin y LIU Xiaoyan, del Instituto de Física Química de Dalian (DICP) de la Academia China de Ciencias (CAS), junto con el profesor LIU Wei (también del DICP), el profesor YANG Tao, de la Universidad Xi’an Jiaotong, y el profesor Graham J. Hutchings, de la Universidad de Cardiff.
Modelo e imagen de la estructura activa [Ni1O4Ni4] formada *in situ*. (Imagen de TAN Yuanlong y LIU Xiaoyan)
Los investigadores prepararon un catalizador de Ni/Al2O3 con bajo contenido de níquel (0,8 % en peso) mediante un método de microemulsión. El catalizador mostró una alta actividad en la POM, logrando una conversión de metano del 92 %, con selectividades hacia CO y H2 del 87,0 % y una relación molar H2/CO estable de aproximadamente 2,0.
Cabe destacar que prácticamente no se detectaron especies de Ni metálico en el catalizador utilizado. Su rendimiento general fue comparable al de un catalizador de Ni/Al2O3 con una carga elevada del 8,0 % en peso, preparado mediante impregnación, y sustancialmente superior al de su homólogo con una carga baja del 0,8 % en peso preparado por el mismo método, el cual mostró únicamente actividad de combustión de metano en condiciones idénticas.
Los investigadores descubrieron que las nanopartículas de Ni metálico presentes en la etapa inicial de la reacción se oxidaban rápidamente a la fase NiO bajo condiciones de POM. Sin embargo, un catalizador de NiO de fase pura preformado no mostró actividad de POM, catalizando únicamente la oxidación completa del metano.
Investigaciones posteriores permitieron observar la reconstrucción *in situ* de una unidad estructural activa [Ni1O4Ni4] en la superficie NiO(100). Los cálculos de DFT demostraron que este motivo reconstruido facilita la ruptura del enlace C–H en el metano, con una barrera de activación de tan solo 12,5 kcal·mol⁻¹.
Este valor es sustancialmente inferior a las barreras observadas en la superficie intacta de NiO(100) (38,5 kcal·mol⁻¹) y en la superficie de Ni metálico (111) (15,7 kcal·mol⁻¹), lo que demuestra claramente la ventaja cinética de la estructura reconstruida para la activación del metano. En conjunto, los resultados experimentales y teóricos identifican este motivo reconstruido como el verdadero centro activo para la POM.
«Nuestro estudio destaca el papel fundamental de la caracterización *in situ* para identificar estructuras activas dinámicas bajo condiciones de reacción», afirmó el profesor Liu. «La reconstrucción dinámica permite que los catalizadores de baja carga alcancen un alto rendimiento, ofreciendo nuevas oportunidades para el diseño racional de catalizadores eficientes y reduciendo al mismo tiempo la dependencia de elevadas cargas metálicas».
