Um mapa para catalisadores de átomo único
O conhecimento preciso dos ambientes atómicos pode ajudar a produzir catalisadores de átomo único mais uniformes e, por conseguinte, mais eficazes
Utilizando a ressonância magnética nuclear, os investigadores da ETH Zurich estudaram os ambientes atómicos de átomos únicos de platina em suportes sólidos, bem como a sua orientação espacial. No futuro, este método poderá ser utilizado para otimizar a produção de catalisadores de átomo único.
A catálise - a aceleração de uma reação química através da adição de uma determinada substância - é extremamente importante tanto na indústria como na vida quotidiana. Cerca de 80% de todos os produtos químicos são produzidos com a ajuda da catálise, e tecnologias como os catalisadores de escape ou as células de combustível também se baseiam neste princípio. Um catalisador particularmente eficaz e versátil é a platina. No entanto, como a platina é um metal precioso muito raro e caro, cuja produção provoca muitas emissõesde CO2, é importante utilizá-la o menos possível, maximizando a sua eficiência.
Catalisadores com um único átomo
Nos últimos anos, os cientistas tentaram desenvolver os chamados catalisadores de átomo único, em que cada átomo contribui para a reação química. Estes catalisadores são fabricados depositando átomos de platina simples na superfície de um material hospedeiro poroso, por exemplo, carbono dopado com átomos de azoto. Os átomos de azoto funcionam como pontos de ancoragem aos quais os átomos de platina se podem agarrar.
Uma equipa de investigadores liderada por Javier Pérez-Ramírez e Christophe Copéret do Departamento de Química e Ciências da Vida Aplicadas do ETH Zurich, juntamente com colegas das Universidades de Lyon e Aarhus, demonstrou agora que esses catalisadores de um só átomo são mais complexos do que se pensava. Utilizando a ressonância magnética nuclear, conseguiram demonstrar que os átomos de platina individuais num catalisador deste tipo podem ter ambientes atómicos muito diferentes, o que influencia a sua ação catalítica. No futuro, esta descoberta permitirá desenvolver materiais catalíticos mais eficientes. Os investigadores publicaram recentemente os seus resultados na revista científica Nature.
Encontros fortuitos levam a uma descoberta
"Até agora, os átomos de platina individuais só podiam ser observados através da 'lente' de um microscópio eletrónico - o que parece impressionante, mas não nos diz muito sobre as suas propriedades catalíticas", afirma Pérez-Ramírez. Juntamente com Copéret, pensou na forma de caraterizar os átomos individuais de platina com maior precisão. A colaboração começou com um encontro casual durante uma reunião no âmbito do programa Catalysis do NCCR.
Após o encontro, os dois investigadores tiveram a ideia de experimentar a ressonância magnética nuclear. Neste método, no qual se baseia a ressonância magnética nos hospitais e que é normalmente utilizado para investigar moléculas em laboratórios, os spins dos núcleos atómicos num forte campo magnético estático reagem a campos magnéticos oscilantes de uma determinada frequência de ressonância. Nas moléculas, esta frequência de ressonância depende da forma como os diferentes átomos estão dispostos no interior da molécula. "Do mesmo modo, as frequências de ressonância dos átomos individuais de platina são influenciadas pelos seus vizinhos atómicos - por exemplo, carbono, azoto ou oxigénio - e pela sua orientação em relação ao campo magnético estático", explica Copéret.
Isto conduz a muitas frequências de ressonância diferentes, tal como os diferentes tons de uma orquestra. Descobrir qual o instrumento que está a produzir um determinado tom não é fácil. "Por sorte, durante uma visita a Lyon, um de nós conheceu um perito em simulação de Aarhus que estava a visitar o local na mesma altura", diz Copéret. Estes encontros, e as colaborações que deles resultam, são essenciais para o progresso científico, acrescenta. Juntamente com o colaborador do ETH, o especialista em simulação desenvolveu um código informático que permitiu filtrar da confusão os diferentes "tons" dos átomos de platina.
Mapeamento do ambiente atómico
Em última análise, isto conduziu a um avanço na descrição de catalisadores de um só átomo: a equipa de investigação conseguiu agora compilar uma espécie de mapa que mostra o tipo e a posição dos átomos que rodeiam os átomos de platina. "Este método analítico constitui uma nova referência neste domínio", afirma Pérez-Ramírez.
Com este método, que é amplamente acessível, os protocolos de produção de catalisadores de um só átomo podem ser optimizados de modo a que todos os átomos de platina tenham ambientes adaptados. Este é o próximo desafio da equipa. "O nosso método também é importante do ponto de vista da propriedade intelectual", diz Copéret: "Ser capaz de descrever com precisão os catalisadores a nível atómico permite-nos protegê-los através de patentes."
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Publicação original
Jonas Koppe, Alexander V. Yakimov, Domenico Gioffrè, Marc-Eduard Usteri, Thomas Vosegaard, Guido Pintacuda, Anne Lesage, Andrew J. Pell, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez, Christophe Copéret; "Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures"; Nature, Volume 642, 2025-6-4
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