Nanocatalisadores metálicos: o que acontece realmente durante a catálise
Novos conhecimentos sobre o comportamento químico
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Utilizando uma combinação de espectromicroscopia no BESSY II e análises microscópicas no NanoLab do DESY, uma equipa obteve novos conhecimentos sobre o comportamento químico dos nanocatalisadores durante a catálise. As nanopartículas consistiam num núcleo de platina com um invólucro de ródio. Esta configuração permite uma melhor compreensão das alterações estruturais em, por exemplo, catalisadores de platina e ródio para controlo de emissões. Os resultados mostram que, em condições catalíticas típicas, parte do ródio da casca pode difundir-se para o interior das nanopartículas. No entanto, a maior parte permanece na superfície e oxida-se. Este processo depende fortemente da orientação da superfície das facetas das nanopartículas.
Esta imagem obtida com um microscópio eletrónico de varrimento mostra nanopartículas de platina revestidas a ródio num substrato condutor. As facetas cristalinas são claramente visíveis na forma poliédrica das nanopartículas.
© Arno Jeromin, DESY NanoLab
As nanopartículas medem menos de um décimo de milésimo de milímetro de diâmetro e têm enormes áreas de superfície em relação à sua massa. Isto torna-as atraentes como catalisadores: as nanopartículas metálicas podem facilitar as conversões químicas, seja para a proteção ambiental, a síntese industrial ou a produção de combustíveis (sustentáveis) a partir de CO2 e hidrogénio.
Núcleo de platina com invólucro de ródio
A platina (Pt) é um dos catalisadores metálicos mais conhecidos e é utilizada na catálise heterogénea em fase gasosa para o controlo das emissões, por exemplo, para converter o monóxido de carbono tóxico presente nos gases de escape dos motores de combustão em CO2 não tóxico. A mistura de partículas de platina com o elemento ródio (Rh) pode aumentar ainda mais a eficiência", afirma Jagrati Dwivedi, primeiro autor da publicação. A localização dos dois elementos desempenha um papel importante neste processo. As chamadas nanopartículas core-shell, com um núcleo de platina e um invólucro de ródio extremamente fino, podem ajudar na procura da distribuição óptima dos elementos que pode prolongar a vida útil das nanopartículas.
Experiências no BESSY II e no DESY NanoLab
Até agora, porém, pouco se sabia sobre a forma como a composição química da superfície de um catalisador se altera durante o funcionamento. Uma equipa liderada pelo Dr. Thomas F. Keller, chefe do grupo de microscopia do DESY NanoLab, investigou agora essas nanopartículas cristalinas de Pt-Rh no BESSY II e obteve novos conhecimentos sobre as alterações nas facetas das nanopartículas poliédricas.
As nanopartículas foram primeiro caracterizadas e marcadas na sua vizinhança utilizando microscopia eletrónica de varrimento e microscopia de força atómica no DESY NanoLab. Estes marcadores foram depois utilizados para analisar as mesmas nanopartículas por espetroscopia e para as visualizar por imagem microscópica em simultâneo, utilizando luz de raios X num instrumento especial no BESSY II.
O instrumento SMART do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck permite a microscopia eletrónica de fotoemissão de raios X (XPEEM) em modo microscópio. Isto permite distinguir elementos individuais com elevada resolução espacial, possibilitando a observação de processos químicos em camadas atómicas próximas da superfície. O instrumento permite a análise química de elementos individuais com uma resolução de 5-10 nanómetros, o que é único", afirma Thomas Keller. A investigação demonstrou que o ródio pode difundir-se parcialmente nos núcleos de platina durante a catálise: ambos os elementos são miscíveis às temperaturas de funcionamento típicas do catalisador. A mistura é reforçada num ambiente redutor (H2 ) e abrandada num ambiente oxidante (O2 ) sem inverter o fluxo líquido de ródio para a platina. A temperaturas mais elevadas, este processo aumenta mesmo significativamente", explica Keller.
Diferentes taxas de reação
As taxas de reação dependem também da orientação das facetas das nanopartículas. São particularmente elevadas em certas facetas", sublinha Jagrati Dwivedi: "O nosso estudo resolvido por facetas mostra que a oxidação do ródio é mais elevada nas facetas com muitos degraus atómicos, onde os átomos se ligam mais facilmente". Esta análise detalhada do comportamento de oxidação contribuirá para uma maior otimização destes nanocatalisadores, que podem sofrer alterações irreversíveis durante a sua utilização.
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
Jagrati Dwivedi, Lydia J. Bachmann, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Heshmat Noei, Liviu C. Tănase, Aarti Tiwari, Lucas de Souza Caldas, Thomas Schmidt, Beatriz Roldan Cuenya, Andreas Stierle, Thomas F. Keller; "Spectro-Microscopy of Individual Pt–Rh Core–Shell Nanoparticles during Competing Oxidation and Alloying"; ACS Nano, Volume 19, 2025-7-30
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