A seletividade do catalisador como um "ato de equilíbrio"
O estudo sugere uma mudança na forma como os químicos devem pensar sobre a catálise heterogénea
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Investigadores dos Departamentos de Química Inorgânica do Instituto Fritz Haber revelaram de que forma as alterações estruturais na superfície e na região do volume do catalisador de óxido de cobalto Co3O4 influenciam a sua seletividade na produção de produtos químicos industrialmente relevantes, como a acetona. Descobriram que um estado metaestável, estruturalmente "preso", apresenta a maior atividade catalítica - uma descoberta importante para a conceção de catalisadores.
Imagens de microscópio das experiências operando TEM: Alterações da estrutura da superfície das nanopartículas de catalisador observadas aquando da alteração da temperatura.
© FHI
Catálise heterogénea, uma pedra angular da indústria química
Da síntese de amoníaco à produção de plásticos, a catálise heterogénea é um processo fundamental na indústria química. O catalisador encontra-se frequentemente na forma sólida, enquanto os outros reagentes são líquidos ou gasosos, o que é ideal para separar os produtos da reação no final. Por conseguinte, está a ser investida uma grande quantidade de investigação no desenvolvimento e aperfeiçoamento de catalisadores heterogéneos. Este estudo sublinha que os resultados relativos aos processos na superfície do catalisador devem ser tidos em conta.
O papel da seletividade na catálise
O catalisador ideal pode promover preferencialmente uma reação específica e desejada quando são possíveis múltiplas reacções - é seletivo. Esta propriedade, que pode ser controlada através da conceção do catalisador, é crucial para os processos industriais, uma vez que aumenta a pureza do produto e poupa energia, uma vez que evita processos complicados de separação de produtos após a reação. No entanto, muitas vezes não é claro o que determina exatamente a seletividade a nível molecular. Para compreender isto, a equipa de investigação do nosso instituto utiliza métodos operando que lhes permitem observar os catalisadores "a trabalhar".
Obter uma nova compreensão da oxidação catalítica
Em seu estudo recente, a equipe de pesquisa lança luz sobre um processo industrial significativo catalisado heterogeneamente no qual a seletividade desempenha um papel importante: a oxidação do isopropanol (2-propanol) em acetona usando óxido de cobalto (Co₃O₄) para catálise térmica. Eles combinam espetroscopia de raios X operando e microscopia eletrônica de transmissão operando para obter uma visão mais profunda do desempenho do catalisador, particularmente como ele é influenciado pelos processos que ocorrem na superfície do catalisador e dentro de seu interior (a região em massa).
Como é que as reacções superficiais influenciam o desempenho do catalisador?
A comparação das medições da atividade do catalisador num reator e a informação operando sobre as alterações estruturais durante o funcionamento do catalisador produzem duas fases de atividade: uma abaixo e outra acima dos 200 °C. A uma temperatura mais baixa, uma rede de processos de estado sólido, como a difusão e a formação de defeitos, distorce a estrutura do catalisador, que controla as propriedades catalíticas do Co3O4, enquanto que a uma temperatura mais elevada, domina a ordenação dos cristais.
Curiosamente, a combinação ideal de atividade e seletividade é encontrada a 200 °C, nomeadamente na fronteira entre as duas fases. Aqui, o catalisador pode ser concebido como estando preso numa transição entre dois estados energeticamente equivalentes, em que pequenas alterações das condições podem fazer com que o sistema alterne entre esses estados. É desejável manter o catalisador neste estado para um desempenho optimizado. Isto pode ser conseguido através da criação de condições de trabalho óptimas, mas também pode ser melhorado através da conceção do catalisador e de um pré-tratamento adequado.
Importância dos resultados
As conclusões do estudo desafiam a conceção convencional do catalisador. O estudo sugere que a procura de um catalisador cristalino "perfeito e estável" pode, por vezes, não ser o ideal. Pelo contrário, os autores demonstram que as alterações estruturais da superfície determinam de forma crítica a atividade e a seletividade dos catalisadores de oxidação. A sua metodologia - combinando espetroscopia operando, microscopia e medições de atividade - estabelece uma referência para o estudo de catalisadores em condições realistas, captando o comportamento dinâmico que é invisível na análise habitualmente utilizada.
Finalmente, o estudo sugere mesmo uma mudança na forma como os químicos devem pensar a catálise heterogénea: As superfícies dos catalisadores não devem continuar a ser vistas apenas como estáticas, mas sim como materiais dinâmicos onde a reestruturação interna, a química dos defeitos e as transições metaestáveis têm grande importância.
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
Thomas Götsch, Daniel Cruz, Patrick Zeller, Anna Rabe, Maik Dreyer, Nicolas Cosanne, Frank Girgsdies, Jasmin Allan, Michael Hävecker, Anna Efimenko, Mihaela Gorgoi, Sharif Najafishirtari, Malte Behrens, Robert Schlögl, Axel Knop-Gericke, Thomas Lunkenbein; "Local solid-state processes adjust the selectivity in catalytic oxidation reactions on cobalt oxides"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-11-18
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