Toda reação química deve superar barreiras energéticas antes que possa ocorrer. As substâncias requerem uma entrada inicial de energia para iniciar uma reação. Às vezes esse obstáculo é tão pequeno quanto acender um fósforo. Porém, em muitos processos industriais a energia necessária é muito maior, o que aumenta os custos.
Para tornar as reações mais fáceis e eficientes, os químicos contam com substâncias chamadas catalisadores. Esses “ajudantes de reação” reduzem a energia necessária. Os catalisadores mais eficazes contêm frequentemente metais, incluindo metais raros e caros.
Catalisador inovador converte dióxido de carbono2 Converter para metanol
Pesquisadores da ETH Zurique fizeram agora progressos significativos no design de catalisadores. O seu novo sistema reduz significativamente a energia necessária para produzir metanol, um tipo de 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 mudança significativa em relação aos métodos tradicionais, nos quais os metais são agrupados em partículas.
Outra vantagem 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 um desenvolvimento de catalisador mais criterioso e otimizado.
O papel do metanol na química sustentável
Javier Pérez-Ramírez, professor de engenharia catalítica na ETH Zurique, disse: “O metanol é um precursor versátil para a produção de muitos produtos químicos e materiais, como plásticos. Pode-se dizer que é o canivete suíço da química.”
O metanol é essencial para a produção de combustíveis e materiais e desempenha um papel cada vez mais importante nos esforços de transição dos combustíveis fósseis. A produção de metanol poderá tornar-se neutra para o clima se o hidrogénio e a energia utilizados no processo provierem de fontes renováveis.
Este método também fornece uma nova maneira de aproveitar o dióxido de carbono2. Pode ser capturado e convertido em matérias-primas valiosas, em vez de ser liberado na atmosfera.
Catalisadores de átomo único maximizam a eficiência
“Nosso novo catalisador tem uma estrutura 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 tradicionais, os metais são normalmente quebrados 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 elementos escassos e caros. Em alguns casos, isto torna até viável a utilização de metais preciosos em aplicações industriais.
O uso de átomos isolados também pode alterar o comportamento do catalisador. “O índio tem sido usado neste catalisador há mais de uma década”, disse Pérez-Ramírez. “Em nossa pesquisa, descobrimos que átomos de índio isolados no óxido de háfnio podem produzir dióxido de carbono de forma mais eficiente.2A síntese à base de metanol é melhor que a do índio na forma de nanopartículas contendo um grande número de átomos. “
Catalisadores de átomo único estáveis de engenharia
Para colocar com precisão átomos únicos 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 chave é projetar um material de suporte que mantenha os átomos estáveis e ao mesmo tempo permita que permaneçam reativos.
Um método envolve queimar o material de partida numa chama a temperaturas entre 2.000 e 3.000°C e depois resfriá-lo rapidamente. Sob estas condições, os átomos de índio permanecem na superfície e estão firmemente incorporados.
O catalisador resultante é muito durável. Os pesquisadores mostraram que esses sistemas de átomo único podem suportar condições adversas, incluindo altas temperaturas e pressões. Isto é importante porque o metanol é produzido a partir do dióxido de carbono2 O hidrogênio normalmente requer temperaturas de até 300°C e pressões de até 50 vezes os níveis atmosféricos normais.
Obtenha uma compreensão mais clara dos mecanismos de reação
Os catalisadores tradicionais feitos de nanopartículas são difíceis de estudar há muito tempo. Embora a reação ocorra nos átomos da superfície, grande parte do sinal na medição vem de átomos dentro da partícula que não participam da reação. Isso torna mais 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 os mecanismos de reação com muito menos perturbações, levando a insights mais claros.
Perez-Ramirez tem trabalhado para melhorar o CO22Baseada na produção de metanol desde 2010 e trabalhando em estreita colaboração com a indústria. Ele também detém várias patentes neste campo. Segundo ele, o sucesso deste novo catalisador se deve à estreita colaboração entre a comunidade científica suíça: “Sem esta expertise interdisciplinar, o desenvolvimento do catalisador metanol e a análise detalhada do mecanismo não teriam sido possíveis”.
