Observar as nanopartículas catalíticas a trabalhar
Metal e óxido: só em combinação é que se obtém sucesso
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O que acontece exatamente quando o gás de síntese é produzido? Novos métodos permitem observar o processo em tempo real. Isto responde à questão de saber como funcionam os catalisadores em pormenor.
Imagens de resolução atómica das estruturas e interfaces de PdO (vermelho) e Pd (azul), com uma ilustração correspondente da superfície dos catalisadores (direita) e do microreactor no microscópio eletrónico (esquerda).
TU Wien
Para muitas aplicações industriais é necessário gás de síntese, também conhecido como "Syngas", uma mistura de hidrogénio (H2) e monóxido de carbono (CO). Para além do método de produção estabelecido através da reforma a vapor, o gás de síntese pode, em alternativa - e de forma ainda mais eficiente em termos energéticos - ser produzido a partir de metano (CH₄) e oxigénio. No entanto, neste processo, a oxidação total (combustão) do metano emCO2 e H2Odeve ser evitada, razão pela qual existe uma intensa investigação sobre a produção de gás de síntese em todo o mundo.
Para o efeito, são utilizados catalisadores que contêm elementos como o paládio. Até agora, porém, não se sabia exatamente como se processava a conversão do metano em gás de síntese nas superfícies de paládio. Através de uma colaboração entre a TU Wien e a Universidade Nacional de Singapura (NUS), foi agora possível observar o processo utilizando microscopia eletrónica de transmissão de alta resolução - a chamada operando TEM - combinada com simulações computacionais. Os resultados mostram que a reação requer uma sinergia entre diferentes regiões do catalisador.
Paládio e óxido de paládio
"O metano é o principal componente do gás natural. Atualmente, não o utilizamos apenas para aquecimento - o que é problemático por razões relacionadas com o aquecimento global - mas também como matéria-prima para a produção de produtos químicos e combustíveis", afirma o Prof. Günther Rupprechter do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. Günther Rupprechter, do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "Mesmo no futuro, o metano desempenhará um papel na produção de gás de síntese e provavelmente não poderá ser completamente substituído na próxima década."
É por isso que atualmente está a ser realizada uma investigação intensiva para encontrar novos processos para produzir gás de síntese a partir do metano de forma mais eficiente, evitando a sobre-oxidação - ou seja, a combustão em CO₂ e água. Este processo é designado por "oxidação parcial do metano" (POM). "Nos últimos anos, investigámos a POM em vários catalisadores, a maioria dos quais à base de níquel", diz Rupprechter.
Um microreactor num microscópio eletrónico
Já se sabia que os catalisadores feitos de nanopartículas metálicas funcionam bem. Mas a questão em aberto era o que acontece exatamente às nanopartículas metálicas individuais durante a reação catalítica. "Em particular, queríamos saber: se a reação é realizada com nanopartículas de paládio, é o próprio paládio responsável pela catálise ou o óxido de paládio que se forma durante a reação?"
Esta questão pode agora ser abordada pela primeira vez através de uma combinação de abordagens avançadas: A equipa observou as nanopartículas em tempo real durante a reação catalítica, utilizando microscopia eletrónica de transmissão de alta resolução. Simultaneamente, a espetrometria de massa foi utilizada para monitorizar os produtos formados em cada momento - e tudo isto foi complementado por simulações em computador. Esta combinação tornou possível, pela primeira vez, obter uma imagem mecanicista mais precisa do processo.
Como é que o catalisador funciona?
Alexander Genest, da equipa da TU Wien, que esteve anteriormente ligado ao Centro de Computação de Alto Desempenho A*STAR, em Singapura, manteve viva a colaboração entre a TU Wien e Singapura ao longo dos anos. "Utilizando modelos computacionais, já tínhamos analisado a oxidação de nanopartículas de Pd e a oxidação de CO, pelo que a extensão à oxidação do metano era um objetivo muito promissor", afirma Alexander Genest.
Juntamente com o candidato a doutoramento Parinya (Lewis) Tangpakonsab, realizou simulações baseadas na teoria do funcional da densidade (DFT) para estudar a ativação do metano e as etapas de reação subsequentes. "Queríamos compreender a origem da oxidação parcial e total e esclarecer exatamente o que acontece a nível atómico", diz Tangpakonsab.
Metal e óxido: sucesso apenas em combinação
O resultado foi mais complexo do que o esperado: nem o metal nem o óxido metálico são responsáveis sozinhos pela catálise - o melhor desempenho vem do trabalho conjunto dos dois. "As duas fases assumem tarefas diferentes", explica Günther Rupprechter. "O paládio desidrogeniza o metano em carbono e hidrogénio, enquanto o óxido de paládio oxida o carbono em CO." Isto significa que a catálise mais eficiente pode ter lugar apenas nas regiões de fronteira entre o paládio e o óxido de paládio.
"O nosso grupo já foi muito ativo na microscopia eletrónica de reacções de oxidação de superfície no passado, mas este novo estudo operando-TEM estende este trabalho a condições industriais. Com o apoio do Cluster de Excelência MECS, em breve teremos células de reactores especiais também disponíveis na TU Wien para um exame operando-TEM semelhante", afirma Günther Rupprechter, Diretor de Investigação do MECS.
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