Qumica en dos dimensiones: ruptura y formacin de enlaces en dos dimensiones

Ertl et al Chem Rev 95 697-733 (1995)

Fe / Cu(111)CO + O2 / Pt(110)

Rieder et al Phys. Rev. Lett. 93, 208302 (2004)

Eigler et al Science 262, 218-220 (1993)

Ganador del Premio Nobel de Qumica 2007

Gerhard Ertl

por sus estudios de los procesos qumicos sobre superficies slidas

The essence of the surface science approach is the study of the energetics and dynamics of theinteractions between the molecules participating in the reaction and the model surfaces mentionedand structures of the chemisorbed phases formed thereby. On this basis, one determines themicroscopic reaction mechanism and the kinetics of the elementary steps.

G. ErtlIn a phenomenon as complex as heterogeneous catalysis, basic research can enable one toproceed to underlying fundamental principles

Reacciones qumicas en superficies

Industria Qumica

celdas de combustible

sensores

agujero de Ozono en la Antrtica

catalizadores

Catlisis HeterogneaLa catlisis se encuentra en el centro de la mayora de los procesos industriales incluyendo la fabricacin de petroqumicos, agroqumicos, productos farmacuticos, cosmticos, alimentos y polmeros. Tambin es central en la generacin de nuevas energas limpias y en la proteccin del medio ambiente.

Los catalizadores son utilizados en ms del 80% de los procesos qumicos industriales, creando ventas anuales globales de ms de 1500 billones de dlares, y contribuyen a aproximadamente el 35% del Producto Bruto mundial.

Proceso Haber-Bosch

Ganador del Premio Nobel porla sntesis de amonaco a partir de sus elementos

Entre 1909 y 1912 se probaron 2500 catalizadores distintos hasta encontrar la formulacin ptima que permanece casi sin cambios.

Evidencias espectroscpicas

Cul es el mecanismo de la reaccin superficial?Ertl demuestra experimentalmente como sucede la reaccin.

A su vez, explica como puede mejorarse el catalizador

Catalizadores heterogneos para uso en automviles

Sensor de oxgeno para uso en automviles

Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell

Fuel

Solid Oxide fuel cell

Nafion membrane

Pt/Ru catalyst

Aplicaciones tecnolgicas: Superficies con nuevas funcionalidades

corrosionprotection

decorativeapperance

compatible withenvironment

self-healing coatings

superhydrophobicorganic-inorganichybrids

corrosion inhibitors

scratch resistance

photoactive coatings

smart coatings Cr-replacement

Polymer composites

chemically modifiedSiO2 nanoparticles

nano-TiO2 catalyst

nanostructuredelectrodeposits

Superficies autoreparables

Regeneration agent encapsulated in microcapsules inserted in a matrix structure containing a catalyst able to polymerize the agent.

A crack breaks the microcapsule liberating the agent.

The agent reacts over the catalyst polymerizing and regenerating the coating.

Concept:

Nature 409 (2001) 794-797.

Superficies descontaminantes

Nanostructured anatase TiO2 as a photocatalyst

Surface and Coatings Technology173 (2003) 192-200.

When TiO2 is irradiated with photons of 420 nm (UV) or less an electron is exited from the valence band to the conduction band.

Photo-generated electrons and holes produce super oxide ions and hydroxyl radicals that decompose toxic organic compounds with O2and H2O from air.

Uses: antibacterial, antimicrobial, antipollution, UV blocking in creams and purification of water.

TiO2 nanoparticles

TiO2 nanotubes

Superficies antimicrobianas y bactericidas

Previene el crecimiento de bacterias o microbios sobre acero

Journal of the American Chemical Society, 128, 9798 (2006)

Superficies superhidrofbicas

Nanoletters 4 (2004) 1349-1353

Materiales Biomimticos: Efecto de la hoja de la flor del Loto

Estas superficies son autolimpiantes

Superficies para la proteccin contra el desgaste: Pelculas de diamante

Cules son los procesos qumicos en superficies?adsorcin molecular desorcin molecular

difusin

disociacin

reaccin

Cmo los estudiamos?

Para aire a 20C:

Por qu se requiere UHV?

1045 x 1053 x 101210-10UltraHigh1503 x 101610-6High

10-35 x 10-23 x 101910-3Medium10-65 x 10-53 x 10221Low10-97 x 10-82 x 1025760Atmospheric

Time / ML(s)

Mean Free Path(m)

Gas Density(molecules m-3 )

Pressure (Torr)

Degree of Vacuum

(dependiendo de T y la masa molecular)

1. Para las espectroscopas de superficies se requiere que el camino libre medio de las partculas usadas para muestrear o a detectar sean ms grandes que las dimensiones del equipo (as las partculas pueden viajar de la superficie al detector sin colisiones) P mejores que 10-4 Torr

2. Dado que las espectroscopias de superficies tambin pueden detectar molculas en la fase gaseosa, se requiere que el nmero de especies a detectar en la superficie sea notablemente mayor que el nmero de molculas en la fase gaseosa prximas a la superficie. Para una discriminacin superficie:gas de 10:1 y para detectar un 1% de una monocapa se requieren 1012 molculas/cm3 o P < 10-4 Torr.

3. Para mantener el estado de la superficie durante el experimento (evitar contaminacin) se requieren tiempos para una monocapa de horas. Esto depende de la naturaleza de la superficie, pero para superficies reactivas se requieren P < 10-9 Torr

(100)(111)

TEM

STM

Qu materiales utilizamos?

Pd / Al2O3 (111)+(100)

Besenbacher et al Phys. Rev. Lett., 83, 4120 (1999)

50 L DABCO

300 300 T = 123 K

Mimicking the homogeneous chemistry of porphyrins

Chem. Commun., 2004, 1688.

140 L DABCO

250 250 T = 298 K 300 300 T = 123 K

300 300 T = 298 K

1.5

1.0

0.5

0.0

A

p

p

a

r

e

n

t

h

e

i

g

h

t

/

302520151050 Apparent width /

NN

100 L 4-methoxypyridine

200 200 T = 123 K

Surface mounted 2D rotors

200 200 T = 123 K 200 200 T = 298 K

4-methoxypyridine

Angew. Chem. Int. Ed. (2006).

Novel mechanism for nanoscale self-assembled structure formation: chiral tetramers on Ag(100)

Confinement of styrene to two dimensions is the introduction of a chirality not present in the gas phase: the molecule and its mirror image cannot be superimposed by translation and rotation within the plane of the surface.

J. AM. CHEM. SOC. 2005, 127, 5016-5017

STM of styrene tetramers on Ag(100)

We report the discovery of self-assembled tetramers on the Ag(100) surface.

200 200 50 50

Styrene chiral tetramers on Ag(100)

The tetramers, formed from an achiral precursor (the gas-phase styrene), can exist as two enantiomorphic forms.

Formacin de patrones espacio temporales en reacciones qumicas superficiales

dark: O coverage; bright CO coverage

CO + O2 / Pt(110)

Ertl et al Angew. Chem. 29 1219-1227 (1990)

Manipulacin de tomos y reacciones qumicas con el STMcorralito cuntico de Fe sobre Cu(111)

Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. Science 262, 218-220 (1993).

reaccin de Ullman (1941):

Rieder et al Physical Review Letters 85, 2777-2780 (2000).