Uma equipe de pesquisa liderada pelo DESY tem usado raios-X de alta intensidade para observar uma única nanoparta­cula de catalisador em funcionamento. O experimento revelou pela primeira vez como a composição química dasuperfÍcie de uma nanoparta­cula individual muda sob as condições de reação, tornando-a mais ativa. A equipe liderada por Andreas Stierle do DESY estãoapresentando suas descobertas na revista Science Advances . Este estudo marca um passo importante para uma melhor compreensão dos materiais catala­ticos industriais reais.

Catalisadores são materiais que promovem reações químicas sem serem eles pra³prios consumidos. Hoje, os catalisadores são usados ​​em vários processos industriais, desde a produção de fertilizantes atéa fabricação de pla¡sticos. Por isso, os catalisadores são de grande importa¢ncia econa´mica. Um exemplo bastante conhecido éo conversor catala­tico instalado nos escapes dos automa³veis. Eles contem metais preciosos, como platina, ra³dio e pala¡dio, que permitem que o mona³xido de carbono (CO) altamente ta³xico seja convertido em dia³xido de carbono (CO 2 ) e reduzem a quantidade de a³xidos de nitrogaªnio prejudiciais (NO x ).

“Apesar de seu uso difundido e grande importa¢ncia, ainda ignoramos muitos detalhes importantes de como os vários catalisadores funcionam,” explica Stierle, chefe do DESY NanoLab. "a‰ por isso que hámuito desejamos estudar catalisadores reais em operação." Isso não éfa¡cil, porque para tornar asuperfÍcie ativa o maior possí­vel, os catalisadores são normalmente usados ​​na forma de minaºsculas nanoparta­culas , e asmudanças que afetam sua atividade ocorrem em suasuperfÍcie.

No a¢mbito do projeto da UE Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), a equipe do DESY NanoLab desenvolveu uma técnica para rotular nanoparta­culas individuais e, assim, identifica¡-las em uma amostra. "Para o estudo, noscultivamos nanoparta­culas de uma liga de platina-ra³dio em um substrato no laboratório e rotulamos uma parta­cula especa­fica", diz o coautor Thomas Keller do DESY NanoLab e responsável pelo projeto no DESY. "O dia¢metro da parta­cula rotulada éde cerca de 100 nana´metros e ésemelhante ao daspartículas usadas no conversor catala­tico de um carro." Um nana´metro éum milionanãsimo de mila­metro.

Usando raios-X da European Synchrotron Radiation Facility ESRF em Grenoble, Frana§a, a equipe não foi apenas capaz de criar uma imagem detalhada da nanoparta­cula; também mediu a deformação meca¢nica em suasuperfÍcie. "A deformação dasuperfÍcie estãorelacionada a  composição dasuperfÍcie, em particular a proporção de a¡tomos de platina para ra³dio", explica o coautor Philipp PleaŸow do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), cujo grupo calculou a deformação em função da composição dasuperfÍcie. Ao comparar a deformação dependente da faceta observada e calculada, podem-se tirar conclusaµes sobre a composição química nasuperfÍcie da parta­cula. As diferentessuperfÍcies de uma nanoparta­cula são chamadas de facetas, assim como as facetas de uma gema lapidada.

Quando a nanoparta­cula cresce, suasuperfÍcie consiste principalmente de a¡tomos de platina, já que essa configuração éenergeticamente favorecida. No entanto, os cientistas estudaram a forma da parta­cula e sua deformação superficial em diferentes condições, incluindo as condições de operação de um conversor catala­tico automotivo. Para fazer isso, eles aqueceram a parta­cula a cerca de 430 graus Celsius e permitiram que o mona³xido de carbono e as moléculas de oxigaªnio passassem por ela. “Nessas condições de reação, o ra³dio dentro da parta­cula torna-se ma³vel e migra para asuperfÍcie porque interage mais fortemente com o oxigaªnio do que a platina”, explica PleaŸow. Isso também éprevisto pela teoria.

“Como resultado, a deformação dasuperfÍcie e a forma da parta­cula mudam”, relata o coautor Ivan Vartaniants, do DESY, cuja equipe converteu os dados de difração de raios-X em imagens espaciais tridimensionais. "Um enriquecimento de ra³dio dependente da faceta ocorre, por meio do qual cantos e bordas adicionais são formados." A composição química dasuperfÍcie , a forma e o tamanho daspartículas tem um efeito significativo em sua função e eficiência. No entanto, os cientistas estãoapenas comea§ando a entender exatamente como eles estãoconectados e como controlar a estrutura e composição das nanopartículas Os raios X permitem que os pesquisadores detectemmudanças de apenas 0,1 em mil na cepa, que neste experimento corresponde a uma precisão de cerca de 0,0003 nana´metros (0,3 pica´metros).

"Podemos agora, pela primeira vez, observar os detalhes dasmudanças estruturais em tais nanoparta­culas de catalisador enquanto em operação", disse Stierle, cientista-chefe do DESY e professor de nanociaªncia na Universidade de Hamburgo. "Este éum grande passo a  frente e estãonos ajudando a entender toda uma classe de reações que fazem uso de nanoparta­culas de liga." Cientistas da KIT e DESY agora querem explorar isso sistematicamente no novo Collaborative Research Center 1441, financiado pela Fundação Alema£ de Pesquisa (DFG) e intitulado "Rastreando os locais ativos em cata¡lise heterogaªnea para controle de emissão (TrackAct)".

“Nossa investigação éum passo importante para a análise de materiais catala­ticos industriais”, ressalta Stierle. Atéagora, os cientistas tiveram que desenvolver sistemas modelo em laboratório para conduzir tais investigações. "Neste estudo, chegamos ao limite do que pode ser feito. Com o microsca³pio de raios X PETRA IV planejado do DESY, seremos capazes de observarpartículas individuais dez vezes menores em catalisadores reais e sob condições de reação. "DESY éum dos principais centros aceleradores departículas do mundo e investiga a estrutura e função da matéria - desde a interação de minaºsculaspartículas elementares e o comportamento de novos nanomateriais e biomoléculas vitais aos grandes mistanãrios do universo. Os aceleradores e detectores departículas que DESY desenvolve e constra³i em suas localizações em Hamburgo e Zeuthen são ferramentas de pesquisa únicas. Eles geram a radiação de raios X mais intensa do mundo, acelerampartículas para registrar energias e abrem novas janelas para o universo. DESY émembro da Helmholtz Association, a maior associação cienta­fica da Alemanha, e recebe financiamento do Ministanãrio Federal Alema£o de Educação e Pesquisa (BMBF) (90%) e dos estados federais alema£es de Hamburgo e Brandemburgo (10%).