Uma técnica simples que utiliza pequenas quantidades de energia poderia aumentar a eficiência de algumas reações-chave de processamento químico, em até um fator de 100.000, relatam pesquisadores do MIT. Essas reações estão no centro do processamento petroquímico, da fabricação farmacêutica e de muitos outros processos químicos industriais.

As descobertas surpreendentes são relatadas hoje na revista Science, em um artigo do estudante de pós-graduação do MIT, Karl Westendorff, dos professores Yogesh Surendranath e Yuriy Roman-Leshkov, e de outros dois.

“Os resultados são realmente impressionantes”, diz Surendranath, professor de química e engenharia química. Aumentos de taxa dessa magnitude já foram observados antes, mas em uma classe diferente de reações catalíticas conhecidas como semi-reações redox, que envolvem o ganho ou perda de um elétron. As taxas dramaticamente aumentadas relatadas no novo estudo “nunca foram observadas para reações que não envolvessem oxidação ou redução”, diz ele.

As reações químicas não redox estudadas pela equipe do MIT são catalisadas por ácidos. “Se você é um estudante de química do primeiro ano, provavelmente o primeiro tipo de catalisador que você aprenderá é um catalisador ácido”, diz Surendranath. Existem muitas centenas dessas reações catalisadas por ácido, “e elas são superimportantes em tudo, desde o processamento de matérias-primas petroquímicas até a produção de commodities químicas e transformações em produtos farmacêuticos. A lista continua e continua."

“Essas reações são fundamentais para a fabricação de muitos produtos que usamos diariamente”, acrescenta Roman-Leshkov, professor de engenharia química e química.

Mas as pessoas que estudam semi-reações redox, também conhecidas como reações eletroquímicas, fazem parte de uma comunidade de pesquisa totalmente diferente daquelas que estudam reações químicas não-redox, conhecidas como reações termoquímicas. Como resultado, embora a técnica utilizada no novo estudo, que envolve a aplicação de uma pequena tensão externa, fosse bem conhecida na comunidade de pesquisa eletroquímica, ela não havia sido aplicada sistematicamente a reações termoquímicas catalisadas por ácido.

As pessoas que trabalham com catálise termoquímica, diz Surendranath, “geralmente não consideram” o papel do potencial eletroquímico na superfície do catalisador, “e muitas vezes não têm boas maneiras de medi-lo. E o que este estudo nos diz é que mudanças relativamente pequenas, da ordem de algumas centenas de milivolts, podem ter impactos enormes – mudanças de ordens de magnitude nas taxas de reações catalisadas nessas superfícies.”

“Esse parâmetro negligenciado do potencial de superfície é algo ao qual devemos prestar muita atenção porque pode ter um efeito muito, muito descomunal”, diz ele. “Isso muda o paradigma de como pensamos sobre a catálise.”

Os químicos tradicionalmente pensam na catálise de superfície com base na energia de ligação química das moléculas aos sítios ativos na superfície, o que influencia a quantidade de energia necessária para a reação, diz ele. Mas as novas descobertas mostram que o ambiente eletrostático é “igualmente importante na definição da taxa da reação”.

A equipe já apresentou um pedido provisório de patente para partes do processo e está trabalhando em maneiras de aplicar as descobertas a processos químicos específicos. Westendorff diz que as suas descobertas sugerem que “devemos conceber e desenvolver diferentes tipos de reatores para tirar partido deste tipo de estratégia. E estamos trabalhando agora para ampliar esses sistemas.”

Embora seus experimentos até agora tenham sido feitos com um eletrodo plano bidimensional, a maioria das reações industriais são realizadas em recipientes tridimensionais cheios de pós. Os catalisadores são distribuídos por esses pós, proporcionando muito mais área de superfície para que as reações ocorram. “Estamos analisando como a catálise é feita atualmente na indústria e como podemos projetar sistemas que aproveitem a infraestrutura já existente”, diz Westendorff.

Surendranath acrescenta que estas novas descobertas “levantam possibilidades tentadoras: será este um fenômeno mais geral? O potencial eletroquímico também desempenha um papel fundamental em outras classes de reações? Na nossa opinião, isto remodela a forma como pensamos sobre a concepção de catalisadores e a promoção da sua reatividade.”

Roman-Leshkov acrescenta que “tradicionalmente as pessoas que trabalham em catálise termoquímica não associariam de forma alguma essas reações a processos eletroquímicos. No entanto, apresentar esta perspectiva à comunidade irá redefinir como podemos integrar características eletroquímicas na catálise termoquímica. Terá um grande impacto na comunidade em geral.”

Embora normalmente tenha havido pouca interação entre pesquisadores de catálise eletroquímica e termoquímica, Surendranath diz, “este estudo mostra à comunidade que há realmente uma indefinição na linha entre os dois e que há uma enorme oportunidade na fertilização cruzada entre essas duas comunidades .”

Westerndorff acrescenta que, para que isso funcione, “é preciso projetar um sistema que seja pouco convencional para qualquer comunidade para isolar esse efeito”. E isso ajuda a explicar porque é que um efeito tão dramático nunca tinha sido visto antes. Ele observa que até o editor do jornal perguntou por que esse efeito não havia sido relatado antes. A resposta tem a ver com “quão díspares eram essas duas ideologias antes disso”, diz ele. “Não é só que as pessoas não conversam realmente umas com as outras. Existem profundas diferenças metodológicas entre a forma como as duas comunidades conduzem experimentos. E pensamos que este trabalho é realmente um grande passo para unir os dois.”

Na prática, as descobertas poderão levar a uma produção muito mais eficiente de uma ampla variedade de materiais químicos, afirma a equipe. “Você obtém mudanças de ordens de magnitude na taxa com muito pouca entrada de energia”, diz Surendranath. “Isso é o que há de incrível nisso.”

As descobertas, diz ele, “constroem uma imagem mais holística de como funcionam as reações catalíticas nas interfaces, independentemente de serem classificadas na categoria de reações eletroquímicas ou reações termoquímicas”. Ele acrescenta que “é raro encontrar algo que possa realmente revisar nossa compreensão fundamental das reações catalíticas de superfície em geral. Estamos muito entusiasmados.”

“Esta pesquisa é da mais alta qualidade”, afirma Costas Vayenas, professor de engenharia da universidade de Patras, na Grêcia, que não esteve associado ao estudo. O trabalho “é muito promissor para aplicações práticas, principalmente porque amplia trabalhos anteriores relacionados em sistemas catalíticos redox”, afirma.

A equipe incluiu o pós-doutorado do MIT Max Hulsey PhD '22 e o estudante de pós-graduação Thejas Wesley PhD '23, e foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pelo Departamento de Energia de Ciências Básicas de Energia dos EUA.