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
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.
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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".