Camadas precisas em catalisadores para a construção de produtos químicos sustentáveis
Os engenheiros químicos da EPFL desenvolveram uma maneira de construir aglomerados metálicos – com precisão quase atômica – em um método que tem o potencial de melhorar catalisadores e acelerar reações químicas, incluindo a transformação do dióxido de carbono em produtos químicos de alto valor como o metanol.
Motivados a transformar gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono, em produtos químicos de alto valor, como o metanol, os engenheiros químicos da EPFL desenvolveram um novo método para fabricar catalisadores. Os catalisadores são ferramentas importantes na indústria química e são produzidos em grande parte para a produção de produtos petroquímicos. Neste método, eles desenvolveram uma maneira de construir – com precisão quase atômica – aglomerados metálicos em suportes sólidos que têm o potencial de melhorar a atividade catalítica. Os resultados são publicados em Catálise da Natureza.
“Você deseja produzir o máximo possível de produto por catalisador, e descobrimos que quando um catalisador é preparado com precisão quase atômica, você obtém um material mais ativo”, diz Jeremy Luterbacher, professor do Laboratório de Sustentabilidade e Desenvolvimento da EPFL. Processamento Catalítico. “Esta técnica é particularmente interessante para reações difíceis como a do dióxido de carbono com gás hidrogênio para a produção de metanol renovável.”
Um pouco sobre catalisadores
Embora sejam onipresentes na indústria, interagimos mais comumente com catalisadores sólidos no escapamento de nossos carros. Lá, um conversor catalítico retira o escapamento da combustão do combustível e ajuda a reduzir a quantidade de poluentes tóxicos liberados no ar. O motor de um carro produz principalmente monóxido de carbono (CO), um gás tóxico inodoro e incolor que, em altas concentrações, pode causar doenças e morte se inalado. Dentro da câmara há um catalisador, geralmente feito de pequenas partículas de platina ou paládio em um sólido mais barato. Este metal liga o ar e poluentes como o monóxido de carbono e os ajuda a reagir para produzir o gás menos tóxico dióxido de carbono (CO2) no ar.
“Uma reação pode acontecer sem um catalisador em alta temperatura. Por exemplo, a queima de monóxido de carbono em uma chama torna possível que o monóxido de carbono e o oxigênio se choquem para formar dióxido de carbono porque eles estão quentes o suficiente para que a colisão seja suficientemente poderosa “, explica Luterbacher. “Com um catalisador, o monóxido de carbono e o oxigênio estão ligados a uma superfície metálica e podem reagir apesar de colidirem a uma temperatura mais baixa. É como se estivessem patinando no gelo na superfície do catalisador e a superfície ajudasse na transformação entre o poluente e o reagente junto.”
Os catalisadores do futuro precisam de ser capazes de transformar o dióxido de carbono, um gás com efeito de estufa que é a maior fonte de carbono renovável no nosso planeta, em gases de alto valor como o metanol. Este processo ocorre em uma reação química chamada hidrogenação, uma reação difícil, pois pode produzir muitas outras coisas além do metanol. Fazer um catalisador que seja ativo o suficiente para transformar o dióxido de carbono com rapidez suficiente em metanol sem produzir outros produtos é um desafio significativo.
Camadas de precisão do catalisador
Para fazer um catalisador sólido, uma partícula metálica é depositada no topo de um material com grande área superficial, como um pó poroso, para maximizar o contato com o reagente.
Luterbacher e sua equipe se perguntaram se poderiam controlar e acelerar as reações controlando com precisão a composição do catalisador, principalmente escolhendo a quantidade certa de material para ajustar a força com que os reagentes se ligariam ao catalisador. Eles descobriram em pesquisas anteriores que poderiam depositar ilhas de metais com precisão quase atômica em suportes sólidos, um método chamado deposição de camada atômica em fase líquida (ALD), perfeito para criar sítios ativos de catalisador precisos para permitir uma reação.
Na verdade, a deposição destas pequenas ilhas ou aglomerados de vários metais com precisão quase atómica permitiu à equipa da EPFL hidrogenar dióxido de carbono a taxas que eram mais de dez vezes superiores às obtidas com um catalisador da mesma composição, mas construído sem este controlo. Eles usaram óxido de magnésio como suporte, que geralmente liga o dióxido de carbono com muita força para ser reativo, e depositaram pequenas ilhas de zircônia, que é um material que geralmente liga o dióxido de carbono com muita leveza. Então, eles adicionaram cobre para ligar o hidrogênio. Quando colocados juntos nas proporções corretas, eles pareciam ter a mistura certa para produzir rapidamente muito metanol e pouco mais.
“O óxido de magnésio é amplamente reconhecido como um material estável para captura de CO2, mas sua forte afinidade pelo CO2 limitou seu uso como suporte de catalisador. Transformamos essa limitação em uma oportunidade ao associá-lo à zircônia. Encontrando o equilíbrio ideal para afinidade de CO2 combinar MgO e ZrO2 com propriedades diferentes só foi possível através da poderosa ferramenta de deposição de camada atômica em fase líquida”, diz Seongmin Jin, ex-pesquisador de pós-doutorado no LPDC e autor principal do estudo.
“Se compararmos a quantidade de material catalisador com seu conteúdo de cobre, então nosso catalisador é mais ativo até mesmo do que os catalisadores comerciais. Nossa atividade por sítio ativo também é superior. É importante notar que nossa atividade por peso de material catalisador ainda é inferior à comercial equivalentes porque precisamos descobrir como produzir muito mais desses aglomerados na superfície. Mas mostramos que é possível alcançar um controle muito alto mesmo no nível atômico, e esse controle parece ser muito importante. caminhos para explorar muitas combinações de metais ou possibilidades”, conclui Luterbacher.
