A nova abordagem do catalisador combina o melhor de dois mundos
Catálise homogénea e heterogénea: uma síntese de dois princípios
Uma equipa do Forschungszentrum Jülich e da Universidade RWTH Aachen desenvolveu uma nova abordagem para um catalisador que combina as vantagens dos dois métodos de catálise mais utilizados. A nova abordagem do catalisador baseia-se no metal irídio e atingiu cinco vezes a atividade dos sistemas de referência anteriores no laboratório, mantendo uma elevada estabilidade durante vários dias. Anteriormente, tinha sido considerado difícil obter simultaneamente uma atividade elevada e uma estabilidade a longo prazo. Estas descobertas poderão ajudar a aumentar ainda mais a eficiência do irídio, material catalisador altamente ativo mas dispendioso, contribuindo assim de forma significativa para o avanço da utilização do hidrogénio verde como solução de armazenamento de energia respeitadora do clima. A equipa publicou os seus resultados na revista EES Catalysis da Royal Society of Chemistry.
Catalisadores para a economia do hidrogénio
O hidrogénio verde desempenha um papel importante como meio de armazenamento de energia no sistema energético do futuro que respeita o clima. Para ser utilizado, o hidrogénio deve ser armazenado, transportado e libertado de forma eficiente quando necessário. Um dos principais desafios neste domínio é tornar o gás altamente volátil tão fácil de utilizar quanto possível. Substâncias transportadoras como o amoníaco, o metanol, o ácido fórmico e moléculas relacionadas são soluções potenciais. Os catalisadores são necessários para ligar o hidrogénio a estas moléculas e libertá-lo novamente: aceleram as reacções necessárias ou tornam-nas possíveis e economicamente viáveis em primeiro lugar.
Catálise homogénea e heterogénea: uma síntese de dois princípios
A novidade da abordagem Jülich-Aachen reside na combinação de dois mundos da catálise: a catálise homogénea e a catálise heterogénea. A catálise homogénea ocorre quando o catalisador e a substância que reage, conhecida como reagente, estão na mesma fase - ambos gasosos ou líquidos, por exemplo. Na catálise heterogénea, o catalisador é um sólido e o reagente é gasoso ou líquido. As vantagens da catálise heterogénea são que o catalisador e o reagente podem ser separados de forma limpa e fácil, reduzindo os custos. A catálise homogénea, por outro lado, tem o potencial de ser mais ativa e selectiva porque todos os átomos do material catalisador podem estar activos. Além disso, a estrutura e o ambiente químico do catalisador podem ser adaptados com precisão para uma reação específica. Num sólido, porém, os átomos no interior da nanopartícula permanecem inactivos, uma vez que não entram em contacto com os reagentes.
Normalmente, a equipa constituída pelo Instituto para uma Economia Sustentável do Hidrogénio do Forschungszentrum Jülich - Materiais Catalíticos para Armazenamento Químico de Hidrogénio (INW-2) e pela Cátedra de Catálise Heterogénea e Química Técnica da Universidade RWTH de Aachen concentra-se principalmente na catálise heterogénea. "Com o novo catalisador, tentámos aproveitar os melhores aspectos do outro mundo - no nosso caso, a catálise homogénea - para o nosso", explica a Prof. Regina Palkovits, que dirige o INW-2 e a cátedra de Aachen.
Altamente ativa e facilmente separável
A terpiridina desempenha aqui um papel central - uma molécula que se liga fortemente a átomos metálicos como o irídio. Para os investigadores de Jülich e Aachen, era crucial integrar a estrutura da terpiridina, que pode ligar o irídio de forma muito estável, num polímero. Um polímero é um composto químico constituído por muitos blocos de construção pequenos e repetitivos. O resultado é um catalisador molecular sólido (SMC). "Desta forma, o irídio pode ser separado do reagente como na catálise heterogénea - neste caso, como um componente do polímero de terpiridina", explica Keanu Birkelbach, autor principal da publicação. "Ao mesmo tempo, cada átomo de irídio no SMC forma um centro catalítico ativo, como acontece na catálise homogénea". Esta combinação de maior atividade e melhor capacidade de separação é nova. O irídio pode ser utilizado de forma mais eficiente e também recuperado. Dado o seu elevado preço no mercado mundial, isto oferece um grande potencial de poupança. O irídio é atualmente cerca de 50 % mais caro do que o ouro.
Próximas etapas: aumento de escala e materiais alternativos
De acordo com Keanu Birkelbach, as próximas etapas podem incluir o aumento da escala do reator para além da escala laboratorial e a substituição do caro irídio por um metal cataliticamente ativo mais acessível. Poderão também ser testadas outras moléculas transportadoras de hidrogénio. No laboratório, a equipa de Jülich e Aachen utilizou o catalisador de irídio definido molecularmente para libertar hidrogénio do ácido fórmico.
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