Uma equipe de pesquisa da Faculdade de Ciência e Engenharia Twin Cities da Universidade de Minnesota e da Faculdade de Engenharia Cullen da Universidade de Houston identificou e mediu com sucesso a fração de um elétron envolvida na produção catalítica.
Suas descobertas foram publicadas em uma revista de acesso aberto Ciência Central ACSExplique por que metais preciosos como ouro, prata e platina são excelentes em processos catalíticos. Os resultados também apontam para novas possibilidades de concepção de materiais catalíticos melhorados.
Por que os catalisadores são importantes na indústria moderna
Catalisadores industriais – substâncias que reduzem a quantidade de energia necessária para uma determinada reação química – ajudam os fabricantes a aumentar a velocidade, o rendimento ou a eficiência da reação ao produzir ingredientes essenciais. Desempenham um papel fundamental em tudo, desde produtos farmacêuticos e baterias até operações petroquímicas, como a refinação de petróleo bruto, permitindo que os sistemas de produção atendam à procura global.
Melhorar a velocidade, a confiabilidade e o controle dos catalisadores tornou-se um objetivo importante para os vastos setores de combustíveis, produtos químicos e materiais. À medida que estas indústrias se expandem, a corrida para desenvolver sistemas catalíticos mais eficientes e de baixo custo intensificou-se em todo o mundo.
Descobrindo como as moléculas compartilham elétrons com os metais
Quando as moléculas encontram uma superfície catalítica, elas trocam alguns de seus elétrons com o metal (neste caso, ouro, prata ou platina). Essa interação estabiliza temporariamente as moléculas, permitindo que as reações prossigam. Os cientistas suspeitam deste comportamento há mais de 100 anos, mas as pequenas frações de um eletrão envolvidas nunca foram medidas diretamente.
Pesquisadores do Centro de Catálise de Energia Programável, com sede na Universidade de Minnesota, mostraram agora que esse compartilhamento de elétrons pode ser medido diretamente usando uma técnica que eles desenvolveram chamada titulação de elétrons isopotenciais (IET).
Uma visão clara do comportamento catalítico
“Medir a fração de um elétron nesta escala incrivelmente pequena fornece a visão mais clara do comportamento das moléculas em um catalisador”, disse Justin Hopkins, Ph.D. em engenharia química na Universidade de Minnesota. estudante e autor principal do estudo de pesquisa. “Historicamente, os engenheiros de catalisadores confiaram em medições mais indiretas sob condições idealizadas para compreender as moléculas de superfície. Em vez disso, este novo método de medição fornece uma descrição realista da ligação superficial sob condições cataliticamente relevantes.”
Saber exatamente quanta transferência de elétrons ocorre na superfície do catalisador é essencial para compreender a eficácia com que funcionará. Moléculas que compartilham seus elétrons mais facilmente se ligam com mais força e reagem com mais facilidade. Os metais preciosos atingem o nível ideal de partilha de electrões necessário para conduzir as reacções catalíticas, mas a escala precisa desta partilha não foi captada directamente até agora.
IET como uma nova ferramenta para descoberta de catalisadores
A técnica IET agora pode ser usada para caracterizar e comparar diretamente novas formulações de catalisadores, ajudando os pesquisadores a identificar materiais promissores mais rapidamente.
“O IET nos permitiu medir a fração de um elétron que é compartilhado com a superfície do catalisador em um nível inferior a um por cento, como um átomo de hidrogênio na platina, “disse Omar Abdelrahman, autor correspondente e William A. da Universidade de Houston Cullen College of Engineering. William A. do Departamento de Engenharia de Brookshire. Professor Associado de Engenharia de Brookshire “Um átomo de hidrogênio cede apenas 0,2% de um elétron quando ligado a catalisadores de platina, mas é essa pequena porcentagem que torna possível reagir com o hidrogênio na produção química industrial.”
Conectando nanotecnologia, aprendizado de máquina e catálise
O rápido crescimento das técnicas nanotecnológicas para a produção de catalisadores, combinadas com ferramentas de aprendizagem automática que podem pesquisar e analisar enormes conjuntos de dados, expandiu o catálogo de materiais catalíticos já conhecidos. O IET fornece uma terceira abordagem complementar, permitindo aos pesquisadores examinar o comportamento catalítico diretamente no nível eletrônico fundamental.
“A base de novas tecnologias catalíticas para a indústria sempre foi a pesquisa básica”, disse Paul Downhauer, ilustre professor e diretor do Centro de Catálise de Energia Programável da Universidade de Minnesota. “Esta nova descoberta da distribuição fracionária de elétrons estabelece uma base científica inteiramente nova para a compreensão da catálise, que acreditamos que impulsionará novas tecnologias energéticas nas próximas décadas.”
Parte de uma iniciativa nacional mais ampla
Esta descoberta apoia a missão mais ampla do Centro de Pesquisa de Fronteira para Catálise de Energia Programável do Departamento de Energia dos EUA. Desde o seu lançamento em 2022, o centro tem trabalhado para desenvolver tecnologias catalíticas de próxima geração destinadas à produção de materiais, produtos químicos e combustíveis através de sistemas catalíticos dinâmicos avançados.
