es.wedoany.com Noticia: Investigadores de la Universidad de Tohoku (Tohoku University) en Japón han descubierto un nuevo principio de diseño de catalizadores, revelando que los catalizadores de doble átomo (dual-atom catalysts, DACs) presentan un patrón de "doble óptimo de Sabatier" (dual-Sabatier optima) en la reacción de reducción de oxígeno, desafiando la hipótesis del modelo de volcán unimodal utilizada durante décadas. Este hallazgo podría ofrecer una nueva vía para reducir el coste de las pilas de combustible de hidrógeno.
Las pilas de combustible se consideran dispositivos clave para construir una sociedad baja en carbono, ya que generan electricidad a partir de hidrógeno con emisiones limpias. Sin embargo, muchas pilas de combustible siguen dependiendo de metales preciosos como el platino para impulsar la reacción de reducción de oxígeno (ORR), un proceso que afecta directamente al rendimiento y al coste. La teoría catalítica tradicional explica la actividad mediante un modelo de "volcán unimodal", que sostiene que el mejor catalizador se encuentra en un estrecho intervalo de propiedades químicas. No obstante, al analizar un conjunto de datos experimentales a gran escala de la Plataforma Digital de Catálisis (Digital Catalysis Platform, DigCat), el equipo de investigación descubrió que los catalizadores de doble átomo no seguían este patrón esperado.
Los investigadores emplearon simulaciones teóricas avanzadas, modelado microcinético (microkinetic modeling) y aprendizaje automático para estudiar más de 200 tipos de catalizadores de doble átomo. Los resultados mostraron que los DACs están controlados principalmente por una ruta de reacción denominada mecanismo disociativo (dissociative mechanism), en lugar del mecanismo asociativo (associative mechanism) común en los catalizadores de un solo átomo. Este cambio tiene un impacto significativo en la actividad catalítica: los DACs ya no presentan un único pico de rendimiento óptimo, sino que muestran dos regiones óptimas separadas, es decir, el "doble óptimo de Sabatier". La aparición de los dos picos se debe a un cambio en la etapa limitante de la velocidad durante la reacción, alternando entre la disociación de oxígeno, la protonación de oxígeno y la protonación de hidroxilo.
Los investigadores descubrieron que este principio es aplicable a diversos tipos de catalizadores, incluidos sistemas compuestos por metales de transición, elementos metaloides e incluso átomos no metálicos. Combinando el aprendizaje automático interpretable (interpretable machine learning) con el modelado teórico, el equipo construyó un marco predictivo capaz de identificar rápidamente estructuras catalíticas prometedoras. El profesor distinguido Hao Li del Instituto de Materiales Avanzados (WPI-AIMR) de la Universidad de Tohoku señaló que la suposición de larga data de que los catalizadores de doble átomo siguen las mismas reglas de actividad que los de un solo átomo ha sido desafiada. El nuevo trabajo demuestra que, cuando dos átomos cooperan, pueden surgir mecanismos completamente diferentes, abriendo nuevas oportunidades para diseñar materiales eficientes para tecnologías de energía limpia.
El impacto potencial de este descubrimiento podría ir más allá de las pilas de combustible, ofreciendo orientación para el desarrollo de catalizadores en otros procesos de conversión de energía y producción química. La investigación también demuestra cómo la inteligencia artificial puede extraer leyes científicas ocultas de datos experimentales existentes, acelerando así la selección de nuevos materiales. A continuación, el equipo planea aplicar este método a catalizadores multimetal más complejos y a otras reacciones relacionadas con la energía más allá de la ORR. Además, mediante la integración de agentes de IA, aprendizaje automático y simulación electroquímica en la plataforma DigCat, pretenden crear un sistema digital completamente autónomo para el diseño rápido de catalizadores de próxima generación orientados a la energía sostenible.
