Nanobúrgueres com defeitos prometedores
A equipa do DESY descobre defeitos surpreendentes em minúsculas partículas metálicas, o que poderá estimular o desenvolvimento de catalisadores mais eficientes
Os catalisadores são indispensáveis em muitas indústrias: aceleram as reacções químicas, tornando-as economicamente viáveis. São frequentemente constituídos por partículas minúsculas, com apenas alguns nanómetros de diâmetro, às quais as moléculas se ligam, facilitando a formação de uma ligação com outro reagente. Os próprios catalisadores permanecem inalterados. Uma classe de nanocatalisadores é constituída pelos metais preciosos platina e ródio e é utilizada, por exemplo, na purificação de gases residuais, na produção de hidrogénio e em células de combustível.
O Nano-Burger em ação: as duas "metades" do catalisador de platina-ródio interagem com os reagentes nesta simulação.
Science Communication Lab for DESY
A equipa liderada pelo físico do DESY, Andreas Stierle, tem vindo a estudar estes catalisadores de platina e ródio há já algum tempo. No entanto, quando voltaram a analisar as partículas utilizando raios X, ficaram surpreendidos ao verificar que algumas das nanopartículas não são pequenos pedaços homogéneos, mas sim constituídas por uma metade superior e uma metade inferior - como as duas metades de um pão de hambúrguer. Embora as duas metades estejam coladas, a natureza desta ligação e a forma como afecta as propriedades catalíticas das nanopartículas não eram claras.
Para resolver este problema, a equipa de Stierle concebeu uma experiência no European Synchrotron Radiation Facility ESRF, em Grenoble. Produz um feixe de raios X extremamente estreito que pode ser utilizado para estudar nanopartículas individuais", explica Stierle. Especificamente, os investigadores utilizaram um método conhecido por Bragg Coherent Diffraction Imaging (BCDI), em que o feixe de raios X cria um padrão de difração especial à medida que atravessa a nanopartícula, que é registado por um detetor. Podem então ser utilizados algoritmos especiais para reconstruir a forma como os átomos estão dispostos na rede cristalina e onde se desviam da estrutura regular - distorções, defeitos e deslocações na rede cristalina", explica Ivan Vartanyants, que supervisionou as reconstruções.
O que tornou a sua experiência diferente foi o facto de as medições terem sido efectuadas enquanto os nanocatalisadores estavam activos. O grupo dirigiu um fluxo de monóxido de carbono e oxigénio para passar sobre as nanopartículas, em cuja superfície o gás foi convertido emCO2 - a temperaturas superiores a 400 graus Celsius. Estas experiências foram extremamente difíceis; tivemos de manter as nanopartículas fixas num raio de dez nanómetros para que o feixe de raios X iluminasse sempre toda a partícula", explica a primeira autora, Lydia Bachmann, que estuda este tema no âmbito do seu doutoramento. Para o fazer, tivemos de nos certificar de que as condições eram absolutamente estáveis".
O resultado foi inesperado: os peritos descobriram defeitos cristalinos pronunciados onde as metades superior e inferior dos nanoburguers se encontram. As duas superfícies de fronteira não se encaixavam perfeitamente uma sobre a outra; faltavam átomos nas bordas exteriores. Estas lacunas fazem com que todos os átomos na vizinhança se desloquem, distorcendo e deslocando significativamente a rede cristalina.
O que foi verdadeiramente notável foi o facto de estas "falhas" terem um efeito extremamente positivo nas propriedades catalíticas dos nanoburguers. Os defeitos funcionam como sítios de absorção únicos para as moléculas", explica o coautor Thomas Keller. Moléculas como o oxigénio aderem muito bem a eles, o que aumenta a eficácia do catalisador". No futuro, estas descobertas poderão ajudar a indústria a desenvolver catalisadores mais eficientes e eficazes - através de uma "engenharia de defeitos" deliberada para criar o maior número possível de sítios de ligação nas nanopartículas, onde as moléculas podem ser convertidas.
A equipa planeia continuar a trabalhar para atingir este objetivo. Entre outras coisas, os cientistas gostariam de saber como são criados os defeitos nos nanoburguers. As partículas são produzidas a temperaturas de 1000 graus Celsius e suspeitamos que os defeitos se formam quando as partículas arrefecem rapidamente", diz o líder da equipa, Stierle. Parece que, devido ao facto de as partículas serem tão pequenas, surgem nelas tensões térmicas que perturbam a ordem de empilhamento das camadas de cristal". Se este processo for compreendido em pormenor, poderá ser possível otimizar o processo de fabrico para criar defeitos específicos no cristal que sejam particularmente eficazes para aumentar o efeito catalítico das nanopartículas.
Dentro de alguns anos, as experiências efectuadas na fonte de raios X PETRA IV do DESY poderão ajudar. O sucessor do atual anel PETRA III produzirá raios X muito mais finos e focalizados do que os do ESRF. Isto permitirá estudar nanopartículas muito mais pequenas do que era possível até agora. Os nanobúrgueres que examinámos em Grenoble tinham cerca de 100 nanómetros de dimensão", explica Stierle. As partículas catalíticas utilizadas atualmente na indústria têm geralmente apenas 10 a 20 nanómetros de diâmetro. O PETRA IV permitir-nos-ia analisar essas partículas industrialmente mais relevantes no futuro e observá-las em ação em tempo real".
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Publicação original
Lydia J. Bachmann, Dmitry Lapkin, Jan-Christian Schober, Daniel Silvan Dolling, Young Yong Kim, Dameli Assalauova, Nastasia Mukharamova, Jagrati Dwivedi, Tobias U. Schulli, Thomas F. Keller, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle; "Coherent X-ray Diffraction Imaging of a Twinned PtRh Catalyst Nanoparticle under Operando Conditions"; ACS Nano, 2025-6-25
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