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A descoberta sobre os catalisadores de controle de emissão aproxima os engenheiros de combustíveis mais limpos e eficientes
O engenheiro químico e biomolecular Chao Wang descobriu uma nova maneira de caracterizar estruturas atômicas em catalisadores de alto desempenho
Por Lisa Ercolano - 21/02/2021


Getty Images

A preservação do meio ambiente e a sustentabilidade futura exigem inovação de engenheiros químicos, que podem fazer ajustes na estrutura microscópica dos materiais ou alterar a forma como a produção industrial em grande escala é realizada. Um desafio urgente que a indústria enfrenta é mitigar as formas de óxido nítrico que poluem o meio ambiente, coletivamente chamadas de NOx, emitidas por motores e indústrias automotivas.

Uma equipe liderada por Chao Wang , professor do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia da Universidade Johns Hopkins e especialista em catalisadores de alto desempenho, descobriu uma nova maneira de caracterizar quantitativamente as estruturas atômicas de sítios ativos - um localização em uma enzima que se liga a outra substância durante uma reação - dentro de materiais amplamente usados ​​na indústria como catalisadores. O trabalho que estabelece a base para o projeto de fontes de energia mais ecologicamente corretas e sustentáveis. Seus resultados foram publicados na última edição da Nature Catalysis .

"Com o conhecimento estabelecido em nosso trabalho, podemos projetar melhores catalisadores / materiais para melhorar a eficiência de energia e conversão química de muitos processos químicos, como controle de emissão e conversão de gás natural em alimentação química líquida ou combustíveis", disse Wang. "O objetivo final é reduzir as emissões dos motores de combustão e escapamentos e usar o gás natural de uma forma mais limpa e verde."

No estudo, a equipe de Wang trabalhou com um tipo de material chamado zeólitas trocadas com cobre, ou zeólitas trocadas com cobre, que são frequentemente utilizadas em processos industriais e que prometem como catalisadores econômicos e eficientes que podem quebrar ou decompor o óxido nítrico , ou não. No entanto, até agora, a correlação entre a estrutura desses materiais e como eles se comportam permaneceu misteriosa.

Primeiro, os pesquisadores sintetizaram vários zeólitos trocados por Cu e utilizaram um processo chamado adsorção reativa usando espectroscopia para caracterizar a estrutura atômica dos zeólitos e as propriedades de adsorção. Em seguida, eles usaram cálculos da teoria da função de densidade para estabelecer uma correlação linear entre a análise de adsorção e a cinética catalítica.

"O segredo dos zeólitos trocados por Cu de alto desempenho na decomposição do NO recai sobre a adsorção e compressão sutis das moléculas de NO localizadas nos dímeros de Cu. É evolutivo que tais fenômenos sejam observados", disse Wang.

Em tais sistemas microporosos ZSM-5 trocados por Cu, conforme revelado pelo grupo Wang, a propriedade de adsorção e a energia de compressão, que são parâmetros chave e que governam o desempenho catalítico na decomposição de NO, podem ser manipuladas pelo número de sítios diméricos e pela média Distância Cu-Cu em catalisadores zeólitos.

"Integramos tecnologias experimentais e computacionais de ponta para primeiro quantificar os dímeros de Cu, medir a distância média e prever o desempenho catalítico. Os catalisadores diméricos também são aplicáveis ​​a outras reações industriais importantes, como a oxidação do metano. Esperamos lançar luz sobre o projeto e desenvolvimento de materiais catalíticos avançados ", disse Pengfei Xie, um cientista pesquisador assistente no laboratório de Wang e primeiro autor do artigo.

Em seguida, Wang planeja alavancar as descobertas neste trabalho para desenvolver novas tecnologias para a remoção eficiente de óxidos de nitrogênio de escapamentos em baixas temperaturas.

“Isso resolveria o grande desafio das emissões nas partidas a frio dos veículos”, explicou.

 

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