Toda reação química deve superar uma barreira energética antes que possa ocorrer. Uma entrada inicial de energia na matéria é necessária para iniciar a reação. Às vezes esses obstáculos são pequenos, como acender um fósforo. Em muitos processos industriais, contudo, a energia necessária é elevada, o que aumenta os custos.
Para tornar as reações mais fáceis e eficientes, os químicos contam com substâncias chamadas catalisadores. Esses “auxiliares de reação” reduzem a energia necessária. Os catalisadores mais eficazes contêm frequentemente metais, incluindo metais raros e caros.
Catalisador inovador transforma CO2 em metanol
Pesquisadores da ETH Zurique fizeram agora um grande avanço no design de catalisadores. O seu novo sistema reduz significativamente a energia necessária para produzir metanol (um álcool) a partir de dióxido de carbono e hidrogénio.
A equipe também conseguiu um uso excepcionalmente eficiente do metal índio. Neste catalisador, cada átomo de índio individual atua como seu próprio sítio ativo. Esta é uma grande mudança em relação à abordagem tradicional, onde os metais são agrupados em partículas.
Outro benefício importante é a maior precisão. No passado, o desenvolvimento de catalisadores dependia frequentemente de tentativa e erro. Este novo design permite aos cientistas observar e compreender melhor as reações que ocorrem na superfície, abrindo a porta para o desenvolvimento de catalisadores mais deliberados e otimizados.
Papel do metanol na química sustentável
“O metanol é um precursor universal para a produção de uma ampla gama de produtos químicos e materiais como os plásticos – o canivete suíço da química”, diz Javier Pérez-Ramirez, professor de engenharia de catálise na ETH Zurique.
O metanol é essencial para a produção de combustíveis e materiais e desempenha um papel cada vez maior nos esforços de transição dos combustíveis fósseis. A produção de metanol pode ser neutra para o clima se o hidrogénio e a energia utilizados no processo vierem de fontes renováveis.
Este método também oferece uma nova maneira de usar CO2. Em vez de liberá-lo na atmosfera, ele pode ser capturado e transformado em matéria-prima valiosa.
A eficiência catalítica de átomo único é mais alta
“Nosso novo catalisador tem uma arquitetura de átomo único, na qual átomos metálicos ativos isolados são ancorados à superfície de um material de suporte especialmente desenvolvido”, explica Pérez-Ramirez.
Nos catalisadores convencionais, os metais são geralmente decompostos em pequenas partículas que podem conter centenas ou mesmo milhares de átomos. Muitos desses átomos não estão diretamente envolvidos na reação, tornando o processo menos eficiente.
Catalisadores de átomo único representam uma alternativa mais eficiente. Ao utilizar metais ao nível dos átomos individuais, os cientistas podem fazer melhor uso de materiais escassos e caros. Em alguns casos, também torna prático o uso de metais preciosos em aplicações industriais.
Trabalhar com átomos isolados também pode mudar o comportamento do catalisador. “O índio já é usado neste catalisador há mais de uma década”, diz Perez-Ramirez. “Em nosso estudo, mostramos que átomos de índio isolados no óxido de háfnio permitem CO mais eficiente2– síntese de metanol baseada em comparação com o índio na forma de nanopartículas contendo um grande número de átomos.”
Catalisadores de átomo único estáveis de engenharia
Para colocar com precisão os átomos individuais de índio na superfície do óxido de háfnio, a equipe da ETH desenvolveu vários novos métodos de síntese em colaboração com outros grupos de pesquisa. Um fator crítico foi projetar um material de suporte que mantivesse os átomos estáveis e ainda permitisse que permanecessem reativos.
Um método envolve a queima dos materiais iniciais em uma chama a temperaturas entre 2.000 e 3.000 graus Celsius, seguida de resfriamento rápido. Sob estas condições, os átomos de índio permanecem na superfície e ficam fortemente incrustados.
O catalisador resultante é altamente durável. Os pesquisadores demonstraram que esses sistemas de átomo único podem suportar condições exigentes, incluindo altas temperaturas e pressões. Isto é importante porque o metanol é produzido a partir de CO2 E o hidrogênio normalmente requer temperaturas de até 300°C e pressões de até 50 vezes os níveis atmosféricos normais.
Visão clara dos processos de feedback
Os catalisadores tradicionais feitos de nanopartículas são difíceis de estudar há muito tempo. Embora as reações ocorram em átomos superficiais, grande parte do sinal medido vem de átomos dentro das partículas que não participam da reação. Isso torna difícil explicar o que realmente está acontecendo.
Com catalisadores de átomo único, este problema é reduzido. Como apenas estão presentes átomos isolados, os cientistas podem analisar processos de reação com muito menos interferência, levando a insights mais claros.
Perez-Ramirez está trabalhando para melhorar o CO2– Coopera estreitamente com a produção e indústria de metanol desde 2010. Ele também possui diversas patentes nesta área. Segundo ele, o sucesso deste novo catalisador foi possível graças à forte colaboração entre a comunidade de investigação na Suíça: “O desenvolvimento do catalisador de metanol e a análise detalhada do processo não teriam sido possíveis sem esta experiência interdisciplinar”.
