Uma equipe de pesquisa da Faculdade de Ciência e Engenharia da Universidade de Minnesota-Twin Cities e da Escola de Engenharia Cullen da Universidade de Houston identificou e mediu com sucesso as proporções de elétrons envolvidos na fabricação catalítica.
Suas descobertas são publicadas na revista de acesso aberto Centro Central de Ciências da Sociedade Química Americanaesclarece por que metais preciosos como ouro, prata e platina têm um desempenho tão bom em processos catalíticos. As descobertas também apontam para novas possibilidades para projetar materiais catalíticos avançados.
Por que os catalisadores são importantes na indústria moderna
Catalisadores industriais – substâncias que reduzem a energia necessária para uma determinada reação química – ajudam os fabricantes a aumentar a velocidade, o rendimento ou a eficiência da reação na produção de materiais críticos. Desempenham um papel vital em setores que vão desde produtos farmacêuticos e baterias até operações petroquímicas, como a refinação de petróleo bruto, permitindo que os sistemas de produção satisfaçam a procura global.
Melhorar a velocidade, a confiabilidade e o controle do catalisador tornaram-se objetivos fundamentais para as grandes indústrias de combustíveis, produtos químicos e materiais. À medida que estas indústrias se expandem, intensifica-se a corrida mundial para desenvolver sistemas catalíticos mais eficientes e de baixo custo.
Revelando 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). Esta interação estabiliza temporariamente a molécula, permitindo que a reação prossiga. Os cientistas suspeitam deste comportamento há mais de cem anos, mas a pequena fração de eletrões envolvida nunca foi medida diretamente.
Pesquisadores do Centro de Catálise de Energia Programável da Universidade de Minnesota mostraram agora que esse compartilhamento de elétrons pode ser medido diretamente usando uma técnica de titulação de elétrons equipotencial (IET) que eles criaram.
Uma compreensão mais clara do comportamento do catalisador
“Medir a fração de elétrons em uma escala tão incrivelmente pequena fornece a visão mais clara do comportamento das moléculas em um catalisador”, disse Justin Hopkins, Ph.D. em engenharia química da Universidade de Minnesota. estudante e autor principal do estudo. “Historicamente, os engenheiros de catalisadores confiaram em medições mais indiretas sob condições ideais para compreender as moléculas em uma superfície. Em vez disso, este novo método de medição fornece uma descrição concreta da ligação superficial sob condições cataliticamente relevantes.”
Saber exatamente quanta transferência de elétrons ocorre na superfície de um catalisador é fundamental para compreender a eficácia de seu desempenho. Moléculas que compartilham elétrons com mais facilidade tendem a se ligar mais fortemente e a reagir com mais facilidade. Os metais nobres alcançam níveis ideais de compartilhamento de elétrons necessários para conduzir reações catalíticas, mas a escala precisa desse compartilhamento nunca foi capturada diretamente até agora.
IET como uma nova ferramenta para descoberta de catalisadores
A tecnologia 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 permite medir a fração de elétrons compartilhados com a superfície do catalisador, mesmo abaixo de 1 por cento, como é o caso dos átomos de hidrogênio na platina, “disse o autor correspondente Omar Abdelrahman, professor associado do Departamento de Química e Engenharia Biomolecular William A. Brookshire da Escola de Engenharia Cullen da Universidade de Houston. “Os átomos de hidrogênio liberam apenas 0,2% de seus elétrons quando combinados com um catalisador de platina, mas é essa pequena proporção que permite que o hidrogênio reaja na fabricação de produtos químicos industriais.”
Conectando nanotecnologia, aprendizado de máquina e catálise
Os rápidos avanços na nanotecnologia para a construção de catalisadores, combinados com ferramentas de aprendizagem automática que podem pesquisar e analisar enormes conjuntos de dados, expandiram o catálogo de materiais catalíticos conhecidos. O IET fornece uma terceira abordagem complementar que permite aos pesquisadores examinar o comportamento do catalisador diretamente no nível eletrônico fundamental.
“A base para novas tecnologias catalíticas na indústria sempre foi a pesquisa fundamental”, disse Paul Dauenhauer, 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 dos catalisadores que acreditamos que impulsionarão o desenvolvimento de novas tecnologias energéticas nas próximas décadas.”
parte de um plano nacional mais amplo
A descoberta apoia a missão mais ampla do Centro de Catálise de Energia Programável, um dos Centros de Pesquisa de Fronteira Energética do Departamento de Energia dos EUA. Desde a sua criação em 2022, o centro tem desenvolvido tecnologias catalíticas de próxima geração destinadas à produção de materiais, produtos químicos e combustíveis através de sistemas avançados de catalisadores dinâmicos.
