Tecnologia Científica

Cientistas descobrem pares de átomos que aumentam a atividade de um catalisador
Os resultados são um passo importante em direção aos catalisadores de engenharia para obter melhor desempenho nos processos industriais e no controle de emissões
Por Glennda Chui - 22/06/2020


Um estudo no SLAC e Stanford identificou quais pares de átomos em uma nanopartícula
de catalisador são mais ativos em uma reação que decompõe um gás de escape
prejudicial em conversores catalíticos. As partículas mais ativas continham a
maior proporção de uma configuração atômica específica - uma em que dois átomos,
cada um cercado por sete átomos 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 catalíticos por materiais mais baratos e mais eficazes é uma prioridade para os cientistas, por razões econômicas e ambientais. É necessário 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 melhorá-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 átomos em uma nanopartícula de paládio 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 que partículas maiores de catalisador às vezes funcionam melhor que as menores, quando você espera o contrário? A resposta tem a ver com a maneira como as partículas 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 emissões, 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 catalítica - em quais locais atômicos você pode executar essa química que pega um gás poluente e o transforma em água e dióxido de carbono inofensivos, o que é incrivelmente importante e incrivelmente difícil de fazer, "Disse Cargnello. "Agora que sabemos onde estão os sites ativos, podemos projetar catalisadores que funcionam melhor e usam ingredientes mais baratos".

É necessário 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 catalítico de um carro, nanopartículas de metais preciosos como paládio e platina são fixadas a uma superfície cerâmica. À medida que os gases de emissão fluem, os átomos da superfície das nanopartículas se prendem às moléculas de gás que passam e os incentivam a reagir com o oxigênio para formar água, dióxido de carbono e outros produtos químicos menos perigosos. Uma única partícula catalisa bilhões de reações antes de se esgotar.

Os conversores catalíticos de hoje são projetados para funcionar melhor em altas temperaturas, disse Cargnello, razão pela qual a maioria das emissões prejudiciais de escapamentos vem de veículos que estão apenas começando a se aquecer. Com mais motores sendo projetados para trabalhar em temperaturas mais baixas, há uma necessidade premente de identificar novos catalisadores com melhor desempenho nessas temperaturas, bem como em navios e caminhões que dificilmente mudarão para operação elétrica em breve.
 
Mas o que torna um catalisador mais ativo que outro? A resposta foi ilusória.

Neste estudo, a equipe de pesquisa analisou as nanopartículas catalíticas feitas de platina e paládio de duas perspectivas - teoria e experimento - para ver se conseguiam identificar estruturas atômicas específicas em sua superfície que contribuem para maior atividade.

Partículas 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 nanopartícula catalítica. Isso é computacionalmente muito difícil, disse Abild-Pedersen, e estudos anteriores haviam assumido que as partículas existiam no vácuo e nunca mudavam.

Em um estudo no SLAC e Stanford, os teóricos previram que as nanopartículas de
catalisador feitas de paládio e platina (esquerda) se tornariam mais arredondadas
durante certas reações químicas (no meio), criando características em etapas com
pares de átomos que são locais catalíticos especialmente ativos. Experimentos e
imagens de microscópio eletrônico, como o da direita, confirmaram que esse é
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 modelar partículas em um ambiente mais complexo e realista. A computação dos pesquisadores de pós-doutorado Tej Choksi e Verena Streibel sugeriu que, à medida que as reações prosseguem, as nanopartículas de oito lados se tornam mais arredondadas e suas superfícies planas e facetadas tornam-se uma série de pequenos passos irregulares.

Ao criar e testar nanopartículas de tamanhos diferentes, cada uma com uma proporção diferente de bordas serrilhadas em superfícies planas, a equipe esperava entender exatamente qual configuração estrutural e até quais átomos contribuíam mais para a atividade catalítica das partículas.

Uma pequena ajuda da água

Angel Yang, Ph.D. Um aluno do grupo de Cargnello fez nanopartículas de tamanhos precisamente controlados, cada uma contendo uma mistura uniformemente distribuída de átomos de paládio e platina. Para fazer isso, ela teve que desenvolver um novo método para produzir partículas maiores semeando-as em torno de partículas menores. Yang usou raios-X da fonte de luz de radiação síncrotron Stanford do SLAC para confirmar a composição das nanopartículas que ela fez com a ajuda de Simon Bare e sua equipe do SLAC.

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

"A água aqui desempenhou um papel particularmente interessante e benéfico", disse ela. "Normalmente, envenena ou desativa catalisadores. Mas aqui a exposição à água tornou as partículas mais arredondadas e abriu mais locais ativos".

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

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

Interesse da indústria

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

"Este artigo está abordando questões fundamentais sobre sites ativos , com teoria e perspectivas experimentais reunidas de uma maneira muito boa para explicar os fenômenos experimentais. Isso nunca foi feito antes, e é por isso que é bastante significativo", disse Yuejin Li, sênior cientista principal da BASF que participou do estudo.

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

 

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