Quando os ímanes não chegam a acordo: a mecânica quântica decifra o catalisador de ferro
A caminho de catalisadores mais eficientes para a redução das emissões globais de CO2
Anúncios
Os catalisadores são indispensáveis para a produção em larga escala de muitos produtos químicos, uma vez que aceleram as reacções químicas. Alguns deles contêm átomos metálicos, como o ferro, como blocos de construção fundamentais. Os electrões de cada átomo de ferro possuem um pequeno momento magnético, o chamado spin. Quando vários átomos de ferro se encontram num catalisador, a forma como os seus spins estão orientados uns em relação aos outros é crucial. Uma equipa de investigação da Universidade de Viena conseguiu decifrar o modo de ação de um catalisador à base de ferro utilizando cálculos de mecânica quântica. Mostraram que o fenómeno de sobreposição estabiliza o catalisador e torna-o mais eficaz.
Célula MIL-101(Fe) com centro triangular de ferro alargado à volta do oxigénio central (vermelho escuro). O spin do terceiro ferro, marcado com um ponto de interrogação, tem de escolher entre alfa (up) e beta (down), o que significa que nunca pode haver uma quantidade igual de ambos os tipos. O terceiro átomo está frustrado com o spin.
© Dr. Johannes Dietschreit
A síntese do amoníaco a partir do azoto e do hidrogénio é um processo químico fundamental, utilizado principalmente na produção de fertilizantes, e representa atualmente cerca de 2% do consumo mundial de energia. A procura de catalisadores novos e mais eficientes para a produção de amoníaco é, por conseguinte, um fator importante para a redução das emissões globaisde CO2.
Um candidato promissor é o MIL-101(Fe), uma estrutura metal-orgânica (MOF) em que três átomos de ferro estão dispostos em forma triangular em torno de um átomo de oxigénio central. Paralelamente aos estudos experimentais, há anos que os investigadores tentam compreender a estrutura e as propriedades deste material através de simulações em computador, a fim de desvendar os mecanismos subjacentes à sua atividade catalítica a nível atómico.
Até agora, partia-se do princípio de que os spins dos três átomos de ferro estavam alinhados paralelamente entre si. A equipa liderada por Leticia González (Faculdade de Química) e Georg Kresse (Faculdade de Física), ambos membros do Cluster de Excelência da FWF "Materiais para a Conversão e Armazenamento de Energia (MECS)", demonstrou agora que os spins estão idealmente alinhados de forma antiparalela entre si. No entanto, uma vez que cada átomo de ferro tem dois vizinhos, esta condição não pode ser satisfeita para os três simultaneamente: dois dos três átomos de ferro podem satisfazer o requisito, mas o terceiro é sempre paralelo a um vizinho e antiparalelo ao outro. Os físicos chamam a isto um estado de spin frustrado.
"Podemos imaginar isto como três pessoas a tentar sentar-se à volta de uma mesa redonda, cada uma querendo sentar-se diretamente em frente a outra. Isso não é possível para as três ao mesmo tempo, o que leva à frustração de uma delas", explica Patrick Lechner, primeiro autor do estudo publicado na revista Angewandte Chemie International Edition.
Ao contrário da física clássica, estes estados podem ser descritos "de forma satisfatória para todas as partes" através da mecânica quântica: todas as disposições possíveis coexistem simultaneamente sob a forma da chamada superposição. As várias configurações de spin existem todas ao mesmo tempo, e o sistema global só pode ser descrito com exatidão se todas estas possibilidades forem consideradas. Este princípio faz lembrar a famosa experiência de pensamento de Schrödinger com o gato que está simultaneamente vivo e morto até o seu estado ser medido - uma situação semelhante ocorre com a frustração de spin. "Esta frustração magnética, que só pode ser explicada através de uma sobreposição de diferentes estados quânticos, estabiliza a estrutura do catalisador e permite uma interação particularmente eficaz com pequenas moléculas de gás, como o N2 e o CO, o que explica a sua atividade catalítica", explica González.
O estudo sobre estes aglomerados triangulares de ferro, publicado na Angewandte Chemie International Edition, poderá, a longo prazo, ajudar a aumentar a eficiência e o desempenho destes catalisadores, abrindo assim caminho para uma produção mais sustentável de amoníaco.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Patrick Lechner, Gaurab Ganguly, Michael J. Sahre, Georg Kresse, Johannes C. B. Dietschreit, Leticia González. Spin Frustration Determines the Stability and Reactivity of Metal-Organic Frameworks with Triangular Iron(III)-oxo Clusters. In Angew. Chem. Int. Ed. (2025)
Outras notícias do departamento ciência
