Tecnologia Científica

Visão sem precedentes de uma única nanopartícula de catalisador em ação
O experimento revelou pela primeira vez como a composição química da superfície de uma nanopartícula individual muda sob as condições de reação, tornando-a mais ativa.
Por Deutsches Elektronen-Synchrotron - 01/10/2021


A análise de raios-X forneceu uma imagem 3D completa de uma nanopartícula de catalisador individual e revelou mudanças em sua tensão superficial e composição química de superfície durante diferentes modos de operação. Crédito: Laboratório de Comunicação Científica para DESY

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

Catalisadores são materiais que promovem reações químicas sem serem eles próprios consumidos. Hoje, os catalisadores são usados ​​em vários processos industriais, desde a produção de fertilizantes até a fabricação de plásticos. Por isso, os catalisadores são de grande importância econômica. Um exemplo bastante conhecido é o conversor catalítico instalado nos escapes dos automóveis. Eles contêm metais preciosos, como platina, ródio e paládio, que permitem que o monóxido de carbono (CO) altamente tóxico seja convertido em dióxido de carbono (CO 2 ) e reduzem a quantidade de óxidos de nitrogênio prejudiciais (NO x ).

“Apesar de seu uso difundido e grande importância, ainda ignoramos muitos detalhes importantes de como os vários catalisadores funcionam,” explica Stierle, chefe do DESY NanoLab. "É por isso que há muito desejamos estudar catalisadores reais em operação." Isso não é fácil, porque para tornar a superfície ativa o maior possível, os catalisadores são normalmente usados ​​na forma de minúsculas nanopartículas , e as mudanças que afetam sua atividade ocorrem em sua superfície.

Visão aproximada (impressão do artista) da nanopartícula sob investigação: o monóxido
de carbono oxida-se em dióxido de carbono na superfície da nanopartícula.
Crédito: Laboratório de Comunicação Científica para DESY

A tensão superficial está relacionada à composição química

No âmbito do projeto da UE Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), a equipe do DESY NanoLab desenvolveu uma técnica para rotular nanopartículas individuais e, assim, identificá-las em uma amostra. "Para o estudo, nós cultivamos nanopartículas de uma liga de platina-ródio em um substrato no laboratório e rotulamos uma partícula específica", diz o coautor Thomas Keller do DESY NanoLab e responsável pelo projeto no DESY. "O diâmetro da partícula rotulada é de cerca de 100 nanômetros e é semelhante ao das partículas usadas no conversor catalítico de um carro." Um nanômetro é um milionésimo de milímetro.

Usando raios-X da European Synchrotron Radiation Facility ESRF em Grenoble, França, a equipe não foi apenas capaz de criar uma imagem detalhada da nanopartícula; também mediu a deformação mecânica em sua superfície. "A deformação da superfície está relacionada à composição da superfície, em particular a proporção de átomos de platina para ródio", explica o coautor Philipp Pleßow do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), cujo grupo calculou a deformação em função da composição da superfície. Ao comparar a deformação dependente da faceta observada e calculada, podem-se tirar conclusões sobre a composição química na superfície da partícula. As diferentes superfícies de uma nanopartícula são chamadas de facetas, assim como as facetas de uma gema lapidada.
 
Quando a nanopartícula cresce, sua superfície consiste principalmente de átomos de platina, já que essa configuração é energeticamente favorecida. No entanto, os cientistas estudaram a forma da partícula e sua deformação superficial em diferentes condições, incluindo as condições de operação de um conversor catalítico automotivo. Para fazer isso, eles aqueceram a partícula a cerca de 430 graus Celsius e permitiram que o monóxido de carbono e as moléculas de oxigênio passassem por ela. “Nessas condições de reação, o ródio dentro da partícula torna-se móvel e migra para a superfície porque interage mais fortemente com o oxigênio do que a platina”, explica Pleßow. Isso também é previsto pela teoria.

“Como resultado, a deformação da superfície e a forma da partícula 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 ródio dependente da faceta ocorre, por meio do qual cantos e bordas adicionais são formados." A composição química da superfície , a forma e o tamanho das partículas têm um efeito significativo em sua função e eficiência. No entanto, os cientistas estão apenas começando a entender exatamente como eles estão conectados e como controlar a estrutura e composição das nanopartículas. Os raios X permitem que os pesquisadores detectem mudanças de apenas 0,1 em mil na cepa, que neste experimento corresponde a uma precisão de cerca de 0,0003 nanômetros (0,3 picômetros).

Passo crucial para a análise de materiais catalisadores industriais

"Podemos agora, pela primeira vez, observar os detalhes das mudanças estruturais em tais nanopartículas de catalisador enquanto em operação", disse Stierle, cientista-chefe do DESY e professor de nanociência na Universidade de Hamburgo. "Este é um grande passo à frente e está nos ajudando a entender toda uma classe de reações que fazem uso de nanopartículas de liga." Cientistas da KIT e DESY agora querem explorar isso sistematicamente no novo Collaborative Research Center 1441, financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e intitulado "Rastreando os locais ativos em catálise heterogênea para controle de emissão (TrackAct)".

“Nossa investigação é um passo importante para a análise de materiais catalíticos industriais”, ressalta Stierle. Até agora, 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 microscópio de raios X PETRA IV planejado do DESY, seremos capazes de observar partículas individuais dez vezes menores em catalisadores reais e sob condições de reação. "DESY é um dos principais centros aceleradores de partículas do mundo e investiga a estrutura e função da matéria - desde a interação de minúsculas partículas elementares e o comportamento de novos nanomateriais e biomoléculas vitais aos grandes mistérios do universo. Os aceleradores e detectores de partículas que DESY desenvolve e constrói em suas localizações em Hamburgo e Zeuthen são ferramentas de pesquisa únicas. Eles geram a radiação de raios X mais intensa do mundo, aceleram partículas para registrar energias e abrem novas janelas para o universo. DESY é membro da Helmholtz Association, a maior associação científica da Alemanha, e recebe financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) (90%) e dos estados federais alemães de Hamburgo e Brandemburgo (10%).

 

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