Cómo se utiliza el platino en catálisis

El platino es uno de los materiales catalíticos más eficaces y utilizados en la tecnología moderna. Desde las pilas de combustible y las plantas químicas hasta los sistemas de control de emisiones de los automóviles, el platino permite que las reacciones se produzcan con mayor rapidez, eficacia y en condiciones más suaves de lo que sería posible de otro modo. Para entender por qué el platino es tan valioso, es útil observar cómo funciona a nivel atómico, cómo se aplica en los convertidores catalíticos y dónde más desempeña un papel industrial crítico.

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¿Cómo funciona un catalizador de platino?

Si conoce la electrólisis, le resultará útil pensar que una pila de combustible es una electrólisis inversa.

En la electrólisis del agua, se aplica un voltaje para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. En teoría, se necesita un voltaje mínimo para que se produzca la reacción. En la práctica, sin embargo, se puede necesitar más que el voltaje mínimo. Este voltaje adicional se denomina "sobrepotencial" y es una medida de las pérdidas de energía que se producen porque la reacción no es ideal en la superficie del electrodo.

El platino es especial porque, para las reacciones del hidrógeno, su sobrepotencial es muy cercano a cero. Esto significa que las reacciones del hidrógeno se producen de forma muy eficiente en una superficie de platino, con muy poca pérdida de energía. Por eso el platino es tan valioso en las pilas de combustible de hidrógeno y en los electrolizadores.

Una explicación algo más detallada de la utilidad del platino tiene que ver con la forma en que éste interactúa con las moléculas en su superficie.

El hidrógeno gaseoso (H₂), por ejemplo, no reacciona fácilmente en el espacio libre a temperatura ambiente. Pero cuando las moléculas de H₂ entran en contacto con una superficie de platino, ocurre algo importante:

• La molécula de hidrógeno se adsorbe (se pega) a la superficie de platino.
• El enlace H-H se debilita y se rompe.
• Se forman dos nuevos enlaces Pt-H.
• Cada átomo de hidrógeno puede entonces perder un electrón más fácilmente, formando protones (H⁺).

La clave está en el equilibrio. El platino se une al hidrógeno con la fuerza suficiente para romper el enlace H-H, pero no con tanta fuerza como para que los átomos de hidrógeno se queden pegados permanentemente. Los metales que unen el hidrógeno demasiado débilmente no pueden activarlo de forma eficiente. Los metales que se unen con demasiada fuerza lo retienen y ralentizan la reacción. El platino se encuentra cerca del "punto óptimo" en este equilibrio, lo que lo hace excepcionalmente eficaz.

En términos más generales, el platino pertenece al grupo de metales conocidos como elementos del grupo del platino (PGE), que incluye el paladio, el rodio, el rutenio, el iridio y el osmio. Estos metales comparten varias características importantes:

• Elevados puntos de fusión
• Gran resistencia a la corrosión
• Múltiples estados de oxidación
• Gran capacidad de adsorción de gases

Uso habitual del catalizador de platino en los catalizadores

Una de las aplicaciones más destacadas y de mayor envergadura de los catalizadores de platino se encuentra en los convertidores catalíticos de los automóviles.

El catalizador se inventó a mediados de los años 70 como consecuencia de la normativa sobre calidad del aire que exigía una reducción radical de las emisiones de los automóviles. La Ley de Aire Limpio de Estados Unidos generalizó el uso de catalizadores a partir de 1975. Este tipo de legislación surgió en Europa y otras partes del mundo en la década de 1990.

El catalizador se monta en el sistema de escape del vehículo. Su complejidad no resulta evidente a primera vista por su diseño exterior.

Dentro de la carcasa de acero inoxidable hay un monolito cerámico en forma de panal. El diseño de panal permite aumentar enormemente la superficie con poca resistencia al flujo de gases de escape.

A continuación, el sustrato cerámico se recubre con una capa de "revestimiento de lavado". Esta capa aumenta la superficie y ayuda a estabilizar los metales activos. Los metales del grupo del platino, que incluyen el platino (Pt), el paladio (Pd) y el rodio (Rh), se dispersan como nanopartículas muy finas en la capa. La carga total de PGE suele ser de alrededor del 0,1% en peso, pero como se dispersan como partículas de un tamaño inferior a 10 nanómetros cuando son nuevas, su superficie es enorme.

En los motores de gasolina, los catalizadores "de tres vías" realizan tres reacciones simultáneas:

• Oxidación del monóxido de carbono (CO) a dióxido de carbono (CO₂)
• Oxidación de hidrocarburos no quemados (UHC) a CO₂ y agua
• Reducción de óxidos de nitrógeno (NOₓ) a nitrógeno (N₂).

El platino y el paladio catalizan principalmente las reacciones de oxidación. El rodio es especialmente eficaz en la reducción de NOₓ. En términos sencillos, el platino en el interior de un catalizador proporciona una superficie reactiva en la que los gases de escape nocivos se convierten en sustancias menos tóxicas antes de abandonar el tubo de escape.

Otros usos de los catalizadores de platino

Aunque los convertidores catalíticos son la aplicación más conocida, la función catalítica del platino se extiende mucho más allá de la industria del automóvil.

Pilas de combustible y energía del hidrógeno

En las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM ), el platino se utiliza en ambos electrodos:

• En el ánodo, cataliza la oxidación del hidrógeno (H₂ → 2H⁺ + 2e-).
• En el cátodo, cataliza la reducción del oxígeno (O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O).

Estas reacciones generan electricidad con agua como único subproducto. El bajo sobrepotencial del platino para las reacciones de hidrógeno es fundamental para lograr una alta eficiencia de las pilas de combustible.

Fabricación de productos químicos

Los catalizadores de platino se utilizan ampliamente en:

• Hidrogenación de compuestos orgánicos
• Reformado del petróleo para mejorar el octanaje de la gasolina
• Producción de ácido nítrico (a menudo utilizando gasas de platino y rodio para la oxidación del amoníaco)

En muchos de estos procesos, el platino funciona a altas temperaturas y en entornos corrosivos en los que metales menos nobles se degradarían rápidamente.

Producción de siliconas y especialidades químicas

Los catalizadores de platino son esenciales en las reacciones de hidrosililación utilizadas para producir siliconas. Estos materiales se aplican ampliamente en electrónica, dispositivos médicos, sellantes y revestimientos.

Tratamiento de gases industriales y medioambientales

El platino también se utiliza en procesos de oxidación industrial, sistemas de purificación del aire y unidades de tratamiento de gases residuales. Su durabilidad y reciclabilidad lo hacen adecuado para operaciones industriales de larga duración y alto rendimiento.

Conclusión

El poder catalíticodel platino se debe a una rara combinación de propiedades: adsorbe los gases con eficacia, activa los enlaces químicos eficientemente y permanece estable en condiciones térmicas y químicas extremas. En los convertidores catalíticos, transforma los gases de escape nocivos en emisiones más seguras. En las pilas de combustible, permite una conversión eficiente de la energía del hidrógeno. En las plantas químicas, impulsa reacciones industriales a gran escala con precisión y durabilidad.

Referencias:

[1] Pianowska, Karolina & Kluczka, Joanna & Benke, Grzegorz & Goc, Karolina & Malarz, Joanna & Ochmański, Michał & Leszczyńska-Sejda, Katarzyna. (2023). Solvent Extraction as a Method of Recovery and Separation of Platinum Group Metals. Materials. 16. 4681. 10.3390/ma16134681.