Tecnologia Científica

Cientistas descobrem pares de a¡tomos que aumentam a atividade de um catalisador
Os resultados são um passo importante em direa§a£o aos catalisadores de engenharia para obter melhor desempenho nos processos industriais e no controle de emissaµes
Por Glennda Chui - 22/06/2020


Um estudo no SLAC e Stanford identificou quais pares de a¡tomos em uma nanoparta­cula
de catalisador são mais ativos em uma reação que decompaµe um gás de escape
prejudicial em conversores catala­ticos. Aspartículas mais ativas continham a
maior proporção de uma configuração atômica especa­fica - uma em que dois a¡tomos,
cada um cercado por sete a¡tomos vizinhos, formam pares para realizar as etapas da
reação. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Substituir os metais caros que decompõem os gases de escape nos conversores catala­ticos por materiais mais baratos e mais eficazes éuma prioridade para os cientistas, por razões econa´micas e ambientais. a‰ necessa¡rio que os catalisadores realizem reações químicas que, de outra forma, não aconteceriam, como a conversão de gases poluentes do escapamento automotivo em compostos limpos que podem ser liberados no ambiente. Para melhora¡-los, os pesquisadores precisam de uma compreensão mais profunda de exatamente como eles funcionam.

Agora, uma equipe da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia identificou exatamente quais pares de a¡tomos em uma nanoparta­cula de pala¡dio e platina - uma combinação comumente usada em conversores - são os mais ativos na decomposição desses gases.

Eles também responderam a uma pergunta que intrigou os pesquisadores de catalisadores: Por quepartículas maiores de catalisador a s vezes funcionam melhor que as menores, quando vocêespera o contra¡rio? A resposta tem a ver com a maneira como aspartículas mudam de forma durante o curso das reações, criando mais desses locais altamente ativos.

Os resultados são um passo importante em direção aos catalisadores de engenharia para obter melhor desempenho nos processos industriais e no controle de emissaµes, disse Matteo Cargnello, professor assistente de engenharia química em Stanford que liderou a equipe de pesquisa. O relatório foi publicado na Proceedings of the National Academy of Sciences .

"O resultado mais empolgante deste trabalho foi identificar onde ocorre a reação catala­tica - em quais locais ata´micos vocêpode executar essa química que pega um gás poluente e o transforma em águae dia³xido de carbono inofensivos, o que éincrivelmente importante e incrivelmente difa­cil de fazer, "Disse Cargnello. "Agora que sabemos onde estãoos sites ativos, podemos projetar catalisadores que funcionam melhor e usam ingredientes mais baratos".

a‰ necessa¡rio que os catalisadores realizem reações químicas que, de outra forma, não aconteceriam, como a conversão de gases poluentes do escapamento automotivo em compostos limpos que podem ser liberados no ambiente. No conversor catala­tico de um carro, nanoparta­culas de metais preciosos como pala¡dio e platina são fixadas a umasuperfÍcie cera¢mica. Amedida que os gases de emissão fluem, os a¡tomos dasuperfÍcie das nanoparta­culas se prendem a s moléculas de gás que passam e os incentivam a reagir com o oxigaªnio para formar a¡gua, dia³xido de carbono e outros produtos químicos menos perigosos. Uma única parta­cula catalisa bilhaµes de reações antes de se esgotar.

Os conversores catala­ticos de hoje são projetados para funcionar melhor em altas temperaturas, disse Cargnello, razãopela qual a maioria das emissaµes prejudiciais de escapamentos vem de vea­culos que estãoapenas comea§ando a se aquecer. Com mais motores sendo projetados para trabalhar em temperaturas mais baixas, háuma necessidade premente de identificar novos catalisadores com melhor desempenho nessas temperaturas, bem como em navios e caminhaµes que dificilmente mudara£o para operação elanãtrica em breve.
 
Mas o que torna um catalisador mais ativo que outro? A resposta foi ilusãoria.

Neste estudo, a equipe de pesquisa analisou as nanoparta­culas catala­ticas feitas de platina e pala¡dio de duas perspectivas - teoria e experimento - para ver se conseguiam identificar estruturas atômicas especa­ficas em suasuperfÍcie que contribuem para maior atividade.

Parta­culas redondas com bordas irregulares

Do lado da teoria, o cientista da equipe SLAC Frank Abild-Pedersen e seu grupo de pesquisa no SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis criaram uma nova abordagem para modelar como a exposição a gases e vapor durante reações químicas afeta a forma e a estrutura atômica de uma nanoparta­cula catala­tica. Isso écomputacionalmente muito difa­cil, disse Abild-Pedersen, e estudos anteriores haviam assumido que aspartículas existiam no va¡cuo e nunca mudavam.

Em um estudo no SLAC e Stanford, os teóricos previram que as nanoparta­culas de
catalisador feitas de pala¡dio e platina (esquerda) se tornariam mais arredondadas
durante certas reações químicas (no meio), criando caracteri­sticas em etapas com
pares de a¡tomos que são locais catala­ticos especialmente ativos. Experimentos e
imagens de microsca³pio eletra´nico, como o da direita, confirmaram que esse anã
o caso, oferecendo uma nova compreensão de como os catalisadores funcionam.
Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Seu grupo criou maneiras novas e mais simples de modelarpartículas em um ambiente mais complexo e realista. A computação dos pesquisadores de pa³s-doutorado Tej Choksi e Verena Streibel sugeriu que, a  medida que as reações prosseguem, as nanoparta­culas de oito lados se tornam mais arredondadas e suassuperfÍcies planas e facetadas tornam-se uma sanãrie de pequenos passos irregulares.

Ao criar e testar nanoparta­culas de tamanhos diferentes, cada uma com uma proporção diferente de bordas serrilhadas emsuperfÍcies planas, a equipe esperava entender exatamente qual configuração estrutural e atéquais a¡tomos contribua­am mais para a atividade catala­tica das partículas

Uma pequena ajuda da a¡gua

Angel Yang, Ph.D. Um aluno do grupo de Cargnello fez nanoparta­culas de tamanhos precisamente controlados, cada uma contendo uma mistura uniformemente distribua­da de a¡tomos de pala¡dio e platina. Para fazer isso, ela teve que desenvolver um novo manãtodo para produzirpartículas maiores semeando-as em torno departículas menores. Yang usou raios-X da fonte de luz de radiação sa­ncrotron Stanford do SLAC para confirmar a composição das nanoparta­culas que ela fez com a ajuda de Simon Bare e sua equipe do SLAC.

Em seguida, Yang realizou experimentos em que nanoparta­culas de tamanhos diferentes foram usadas para catalisar uma reação que transforma o propeno, um dos hidrocarbonetos mais comuns presentes nos gases de escape, em dia³xido de carbono e a¡gua.

"A águaaqui desempenhou um papel particularmente interessante e benanãfico", disse ela. "Normalmente, envenena ou desativa catalisadores. Mas aqui a exposição a  águatornou aspartículas mais arredondadas e abriu mais locais ativos".

Os resultados confirmaram quepartículas maiores eram mais ativas e se tornaram mais redondas e irregulares durante as reações, como previam os estudos computacionais. Aspartículas mais ativas continham a maior proporção de uma configuração atômica especa­fica - uma em que dois a¡tomos, cada um cercado por sete a¡tomos vizinhos, formam pares para realizar as etapas da reação. Foram esses "7-7 pares" que permitiram quepartículas grandes tivessem um desempenho melhor que as menores.

No futuro, disse Yang, ela espera descobrir como semear nanoparta­culas com materiais muito mais baratos para reduzir seus custos e reduzir o uso de metais preciosos raros.

Interesse da indaºstria

A pesquisa foi financiada pela BASF Corporation, fabricante lider de tecnologia de controle de emissaµes, por meio da California Research Alliance, que coordena a pesquisa entre cientistas da BASF e sete universidades da Costa Oeste, incluindo Stanford.

"Este artigo estãoabordando questões fundamentais sobre sites ativos , com teoria e perspectivas experimentais reunidas de uma maneira muito boa para explicar os fena´menos experimentais. Isso nunca foi feito antes, e épor isso que ébastante significativo", disse Yuejin Li, saªnior cientista principal da BASF que participou do estudo.

"No final", disse ele, "queremos ter um modelo tea³rico que possa prever qual metal ou combinação de metais tera¡ atividade ainda melhor do que nosso atual estado da arte".

 

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