Quebra-cabeça centenário da catálise resolvido pela medição de uma fração de um elétron

Suas descobertas, publicadas na revista de acesso aberto Ciência Central ACSesclarecem por que metais preciosos como ouro, prata e platina se destacam em processos catalíticos. Os resultados também apontam para novas possibilidades de projeto de materiais catalíticos avançados.

Por que os catalisadores são importantes na indústria moderna

Os catalisadores industriais – substâncias que reduzem a quantidade de energia necessária para uma determinada reação química – ajudam os fabricantes a aumentar a velocidade de reação, o rendimento ou a eficiência na produção de materiais essenciais. Desempenham um papel crucial em domínios 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 tornou-se um objetivo importante para os enormes 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 metais

Quando as moléculas encontram uma superfície catalítica, elas trocam uma parte 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 tinham sido medidas diretamente.

Pesquisadores do Centro de Catálise de Energia Programável, com sede na Universidade de Minnesota, demonstraram agora que esse compartilhamento de elétrons pode ser medido diretamente usando uma técnica que eles criaram chamada Titulação Isopotencial de Elétrons (IET).

Uma visão mais clara do comportamento do catalisador

“Medir frações de um elétron nessas escalas incrivelmente pequenas fornece a visão mais clara do comportamento das moléculas nos catalisadores”, disse Justin Hopkins, Ph.D. em engenharia química da Universidade de Minnesota. estudante e autor principal do estudo de pesquisa. “Historicamente, os engenheiros de catalisadores confiaram em medições mais indiretas em condições idealizadas para compreender as moléculas nas superfícies. Em vez disso, este novo método de medição fornece uma descrição tangível da ligação superficial em condições cataliticamente relevantes.”

Saber exatamente quanta transferência de elétrons ocorre na superfície do catalisador é essencial para compreender a eficácia do seu desempenho. Moléculas que compartilham mais facilmente seus elétrons tendem a se ligar mais fortemente e a reagir mais facilmente. Os metais preciosos atingem o nível ideal de partilha de electrões necessário para conduzir as reacções catalíticas, mas a escala precisa desta partilha nunca tinha sido captada directamente até agora.

IET como uma nova ferramenta para descoberta de catalisadores

A técnica IET agora pode ser usada para descrever 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 níveis ainda inferiores a um por cento, como o caso de um átomo de hidrogênio na platina, “disse Omar Abdelrahman, autor correspondente e professor associado do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da University of Houston Cullen College of Engineering William A. Brookshire. “Um átomo de hidrogênio cede apenas 0,2% de um elétron quando se liga a catalisadores de platina, mas é essa pequena porcentagem que torna possível ao hidrogênio reagir na fabricação de produtos químicos industriais.”

Conectando Nanotecnologia, Aprendizado de Máquina e Catálise

O rápido crescimento das técnicas de nanotecnologia para a construção de catalisadores, combinadas com ferramentas de aprendizagem automática que podem pesquisar e analisar vastos conjuntos de dados, já expandiu o catálogo de materiais catalíticos conhecidos. O IET fornece uma terceira abordagem complementar, permitindo aos pesquisadores examinar o comportamento do catalisador diretamente no nível eletrônico fundamental.

“A base para novas tecnologias catalíticas para a indústria sempre foi a pesquisa básica fundamental”, diz Paul Dauenhauer, distinto 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 novas tecnologias energéticas nas próximas décadas.”

Parte de uma iniciativa nacional mais ampla

Esta 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 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 avançados de catalisadores dinâmicos.