Tecnologia Científica

A descoberta de nanocluster protegerá metais preciosos
A descoberta da equipe é a chave para desbloquear todo o potencial da catálise em química, levando a novas maneiras de fazer e usar moléculas da maneira mais eficiente em termos de átomos e resilientes em energia.
Por University of Nottingham - 17/08/2021


Domínio públlico

Os cientistas criaram um novo tipo de catalisador que levará a maneiras novas e sustentáveis ​​de fazer e usar moléculas e proteger o fornecimento de metais preciosos.

Uma equipe de pesquisa da Universidade de Nottingham projetou um novo tipo de catalisador que combina recursos que antes eram considerados mutuamente exclusivos e desenvolveu um processo para fabricar nanoclusters de metais em escala de massa.

Em sua nova pesquisa, publicada hoje na Nature Communications , eles demonstram que o comportamento dos nanoclusters de paládio não se ajusta às características ortodoxas que definem os catalisadores como homogêneos ou heterogêneos.

Tradicionalmente, os catalisadores são divididos em homogêneos, quando os centros catalíticos estão intimamente misturados com as moléculas reagentes, e heterogêneos, quando as reações ocorrem na superfície de um catalisador. Normalmente, os químicos devem fazer concessões ao escolher um tipo ou outro, pois os catalisadores homogêneos são mais seletivos e ativos, e os catalisadores heterogêneos são mais duráveis ​​e reutilizáveis. No entanto, os nanoclusters de átomos de paládio parecem desafiar as categorias tradicionais, como demonstrado pelo estudo de seu comportamento catalítico na reação de ciclopropanação do estireno.

Os catalisadores habilitam quase 80% dos processos químicos industriais que fornecem os ingredientes mais vitais de nossa economia, desde materiais (como polímeros) e produtos farmacêuticos até agroquímicos, incluindo fertilizantes e proteção de lavouras. A alta demanda por catalisadores significa que os suprimentos globais de muitos metais úteis, incluindo ouro, platina e paládio, estão se esgotando rapidamente. O desafio é utilizar cada átomo em seu potencial máximo. A exploração de metais na forma de nanoclusters é uma das estratégias mais poderosas para aumentar a área de superfície ativa disponível para catálise. Além disso, quando as dimensões dos nanoclusters ultrapassam a escala nanométrica, as propriedades do metal pode mudar drasticamente, levando a novos fenômenos de outra forma inacessíveis na macroescala.

A equipe de pesquisa usou técnicas analíticas e de imagem para sondar a estrutura, dinâmica e propriedades químicas dos nanoclusters, para revelar o funcionamento interno deste catalisador incomum em nível atômico.
 
A descoberta da equipe é a chave para desbloquear todo o potencial da catálise em química, levando a novas maneiras de fazer e usar moléculas da maneira mais eficiente em termos de átomos e resilientes em energia.

A pesquisa foi liderada pelo Dr. Jesum Alves Fernandes, pesquisador da Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow da Escola de Química, ele disse: "Usamos a maneira mais direta de fazer nanoclusters, simplesmente chutando para fora os átomos do metal em massa por um feixe de íons rápidos de argônio, um método chamado de pulverização catódica de magnetron. Normalmente, esse método é usado para fazer revestimentos ou filmes, mas nós o ajustamos para produzir nanoclusters de metal que podem ser depositados em quase qualquer superfície. É importante ressaltar que o tamanho do nanocluster pode ser controlado com precisão por parâmetros experimentais, de um único átomo a alguns nanômetros, de modo que uma série de nanoclusters uniformes possam ser gerados sob demanda em segundos. "

Dr. Andreas Weilhard, pesquisador de pós-doutorado da Green Chemicals Beacon na equipe acrescentou: "As superfícies dos aglomerados de metal produzidas por este método são completamente 'nuas' e, portanto, altamente ativas e acessíveis para reações químicas que levam a alta atividade catalítica."

O professor Peter License, diretor do Laboratório GSK Carbon Neutral da University of Nottingham acrescentou: "Este método de fabricação de catalisador é importante não apenas porque permite o uso mais econômico de metais raros, mas o faz da maneira mais limpa, sem qualquer necessidade para solventes ou reagentes químicos, gerando níveis muito baixos de resíduos, o que é um fator cada vez mais importante para as tecnologias de química verde. ”

A Universidade está prestes a embarcar em um projeto de grande escala para expandir este trabalho com pesquisas que levem à proteção de elementos em perigo.

O professor Andrei Khlobystov, principal investigador do MASI, disse: "Nosso projeto está definido para revolucionar as maneiras como os metais são usados ​​em uma ampla gama de tecnologias e para quebrar nossa dependência de elementos criticamente ameaçados. Especificamente, o MASI fará avanços em: a redução de emissões de dióxido de carbono (CO 2 ) e sua valorização em produtos químicos úteis; a produção de amônia 'verde' (NH 3 ) como um combustível de emissão zero alternativo e um novo vetor para armazenamento de hidrogênio; e o fornecimento de células de combustível mais sustentáveis ​​e tecnologias de eletrolisador. "

Os nanoclusters de metal são ativados para reações com moléculas, que podem ser impulsionadas por calor, luz ou potencial elétrico, enquanto as interações sintonizáveis ​​com materiais de suporte fornecem durabilidade e reutilização dos catalisadores. Em particular, os catalisadores MASI serão aplicados para a ativação de moléculas difíceis de quebrar (por exemplo, N 2 , H 2 e CO 2 ) em reações que constituem a espinha dorsal da indústria química, como o processo Haber-Bosch.

 

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