Quando você coloca nanopartículas metálicas no carbono, elas se tornam muito mais ativas. O que antes era assumido apenas com base na experiência pode agora ser explicado em detalhes pela primeira vez na TU Wien (Viena).
Os metais preciosos desempenham um papel importante na indústria química como catalisadores: com a ajuda da prata, platina, paládio ou outros elementos, podem ocorrer reações químicas que de outra forma não progrediriam ou apenas progrediriam a uma taxa de reação muito menor. Esses metais são frequentemente usados na forma de minúsculas nanopartículas. No entanto, o seu bom funcionamento também depende da superfície em que são colocados. As nanopartículas à base de carbono parecem funcionar particularmente bem – a razão para isso era desconhecida há muito tempo.
Na TU Wien, no entanto, foi agora possível, pela primeira vez, medir e explicar com precisão a interação entre nanopartículas metálicas e um substrato de carbono. Descobriu-se que os átomos de prata em um suporte de carbono são duzentas vezes mais ativos do que os átomos em um pedaço de prata pura. Simulações computacionais mostram que a zona em que a prata está em contato direto com o carbono é crucial. Com a ajuda da troca de isótopos de hidrogênio, foi desenvolvido um método para testar a eficácia dos suportes catalíticos de forma mais rápida e fácil.
Da “arte negra” à ciência
“Por muito tempo, o uso do carbono como material transportador para catálise teve algo quase mágico”, diz o Prof. Günther Rupprechter do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. A fonte de carbono revelou-se importante. Para alguns processos é utilizado carbono obtido de cascas de coco, fibras ou madeiras especiais. Tais “receitas” podem até ser encontradas em documentos de patentes – embora a origem das substâncias químicas deva ser relativamente irrelevante. “Sempre pareceu um pouco arte negra”, diz Günther Rupprechter.
A ideia era que diferentes métodos de fabrico poderiam conduzir a diferenças químicas ou físicas mínimas: talvez o carbono se organize de diferentes maneiras dependendo do método de fabrico’ Talvez contenha vestígios de outros elementos químicos’ Ou será que grupos funcionais se acumulam na superfície – pequenos blocos de construção moleculares que intervêm na reação química’ “Na indústria química, as pessoas ficam naturalmente satisfeitas com o fato de que um processo funciona e pode ser repetido de forma confiável”, diz Rupprechter. “Mas queríamos chegar à origem do efeito e compreender exatamente o que realmente está acontecendo aqui no nível atômico”. A Universidade de Cádiz (Espanha) e o Centro de Microscopia Eletrônica USTEM da TU Wien também estiveram envolvidos.
Medições de precisão em um microrreator
A equipe primeiro produziu amostras que puderam ser caracterizadas com extrema precisão: nanopartículas de prata de tamanho conhecido em um substrato de carbono – e uma fina folha de prata sem carbono.
Ambas as amostras foram então examinadas num reator químico: “A prata pode ser usada para dividir moléculas de hidrogénio em átomos de hidrogénio individuais”, explica Thomas Wicht, o primeiro autor do estudo. “Esse hidrogênio pode então ser usado, por exemplo, para a reação de hidrogenação do eteno. De maneira análoga, também se pode misturar moléculas de hidrogênio ‘comuns’ com moléculas feitas de hidrogênio pesado (deutério). Ambas as moléculas são então dissociadas pela prata e recombinado.” Quanto mais ativo o catalisador, mais frequentemente os dois isótopos de hidrogênio são trocados. Isto fornece informações muito confiáveis sobre a atividade do catalisador.
Isto significou que, pela primeira vez, a diferença na atividade entre átomos de prata com e sem suporte de carbono pôde ser quantificada com precisão – com resultados espetaculares: “Para cada átomo de prata, o fundo de carbono induz uma atividade duzentas vezes maior”, diz Thomas. Bruxa. “Isso é obviamente muito importante para aplicações industriais. Você só precisa de dois centésimos da quantidade de metais preciosos caros para realizar a mesma atividade – e você pode fazer isso simplesmente adicionando carbono comparativamente barato.”
O efeito emocionante acontece bem na fronteira
Alexander Genest, da equipe da TU Wien, realizou simulações computacionais comparando a ativação do hidrogênio por nanopartículas de prata em carbono e prata pura. Isto deixou claro: a região limite entre as partículas de prata e o transportador de carbono é crucial. O efeito catalisador é maior exatamente onde os dois entram em contato. “Portanto, não é o tamanho da superfície do carbono ou quaisquer átomos estranhos ou grupos funcionais. Um efeito catalítico extremo ocorre quando uma molécula reagente entra em contato com um átomo de carbono e um átomo de prata diretamente na interface”, diz Alexander Genest. Quanto maior for esta área de contato direto, maior será a atividade.
Este conhecimento significa que diferentes lotes de carbono de diferentes fontes podem agora ser verificados com bastante facilidade quanto à sua eficácia. “Agora que entendemos o mecanismo de ação, sabemos exatamente em que prestar atenção”, diz Günther Rupprechter. “Nosso experimento, no qual expomos os catalisadores a uma mistura de hidrogênio comum e pesado, é relativamente fácil de realizar e fornece informações muito confiáveis sobre se esta variante do transportador de carbono também é adequada para outras reações químicas ou não.” Ser capaz de explicar processos em nível atômico deverá agora economizar tempo e dinheiro no uso industrial e simplificar a garantia de qualidade.
Publicação original
Thomas Wicht, Alexander Genest, Lidia E. Chinchilla, Thomas Haunold, Andreas Steiger-Thirsfeld, Michael Stöger-Pollach, José J. Calvino, Günther Rupprechter: O papel do hidrogênio interfacial na hidrogenação de etileno em catalisadores Ag, Au e Cu suportados em grafite ; Catálise ACS, 14 (2024) 16905-16919 https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05246
Pesquisa apoiada pelo Fundo Austríaco para a Ciência (FWF; [10.55776/I4434-N and 10.55776/Coe5] (Catálise de Átomo Único e Cluster de Materiais de Excelência para Conversão e Armazenamento de Energia, MECS).
