Utilizar átomos individuais para obter uma química sem fósseis
Os químicos conseguiram um avanço na investigação da catálise a vários níveis
Anúncios
O metanol é um material de base fundamental para produtos químicos. Os investigadores da ETH Zurich podem agora produzir este precursor a partir deCO2 e hidrogénio com elevada eficiência, utilizando átomos de metal isolados como catalisadores.
Todas as reacções químicas enfrentam uma barreira: para que as substâncias reajam umas com as outras, é necessário, em primeiro lugar, fornecer energia. Em muitos casos, esta barreira energética é baixa - por exemplo, quando se risca um fósforo. No entanto, para muitas reacções-chave na indústria, é muito maior - e o aumento da necessidade de energia faz aumentar os custos de produção. Para reduzir esta barreira, os químicos utilizam "ajudantes de reação" conhecidos como catalisadores. As melhores destas substâncias contêm metais - incluindo, em alguns casos, metais raros.
Melhor, mais eficiente e sem deixar nada ao acaso
Agora, os químicos da ETH Zurich conseguiram um avanço na investigação da catálise a vários níveis:
- Desenvolveram um catalisador que reduz significativamente a barreira energética para a produção de metanol - um álcool - a partir do gás com efeito de estufaCO2 e do hidrogénio.
- No seu catalisador, os investigadores utilizam o metal índio de uma forma extremamente eficiente - no sentido em que cada átomo individual de índio se comporta como um sítio ativo.
- No passado, a investigação em catálise seguia frequentemente uma abordagem de "acerto ou erro". O catalisador recentemente descoberto permite uma análise mais precisa dos mecanismos que ocorrem na sua superfície, abrindo caminho para a conceção racional de catalisadores.
O canivete suíço da química verde
"O metanol é um precursor universal para a produção de uma vasta gama de produtos químicos e materiais, como os plásticos - o canivete suíço da química, por assim dizer", afirma Javier Pérez-Ramírez, Professor de Engenharia de Catálise na ETH Zurich. Por conseguinte, o líquido desempenha um papel vital na transição para a produção sustentável e sem recurso a combustíveis fósseis de produtos químicos e combustíveis.
Se a energia utilizada para produzir o hidrogénio e para a catálise for gerada de forma sustentável, o metanol pode, em última análise, ser produzido de forma neutra para o clima. Isto proporciona uma forma de utilizaro CO2 da atmosfera como matéria-prima, em vez de o libertar como fazemos atualmente.
Utilização máxima dos metais
"O nosso novo catalisador tem uma arquitetura de átomo único, em que os átomos de metal ativo isolados estão ancorados na superfície de um material de suporte especialmente desenvolvido", explica Pérez-Ramírez. Nos catalisadores convencionais, por outro lado, os metais estão normalmente presentes como agregados, geralmente pequenas partículas. Embora estas partículas sejam minúsculas, contêm frequentemente entre cem e vários milhares de átomos de metal.
Não é de admirar que os catalisadores de átomo único sejam atualmente um tema quente na investigação em catálise. Eles representam o auge da eficiência quando se trata da utilização de elementos químicos caros e escassos. Se os metais forem utilizados como átomos individuais, pode mesmo ser possível utilizar metais preciosos de uma forma economicamente viável.
Se os átomos puderem trabalhar isoladamente, as suas propriedades catalíticas também se alteram frequentemente. "O índio já é utilizado neste catalisador há mais de uma década", diz Pérez-Ramírez. "No nosso estudo, mostramos que os átomos de índio isolados sobre óxido de háfnio permitem uma síntese mais eficaz do metanol apartir do CO2 do que o índio sob a forma de nanopartículas com um grande número de átomos."
Átomos isolados no sítio certo
Para fixar átomos de índio individuais à superfície do óxido de háfnio de forma direcionada, a equipa interdisciplinar da ETH desenvolveu várias vias sintéticas em colaboração com colegas de outras instituições de investigação. Uma parte fundamental deste desenvolvimento foi a estrutura específica do material de suporte, que proporciona aos átomos um ambiente estável e, ao mesmo tempo, reativo.
Num processo de produção testado, os materiais de partida são queimados numa chama a 2.000 a 3.000°C e depois rapidamente arrefecidos. Nestas condições, o índio tende a permanecer na superfície, onde é incorporado de forma estável.
Com a incorporação dos átomos do catalisador num suporte de óxido de háfnio resistente ao calor, os químicos do ETH demonstram que os catalisadores de um só átomo podem permanecer estáveis mesmo em condições extremas. As reacções que requerem temperaturas e pressões elevadas estão, portanto, também ao alcance. Por exemplo, a síntese de metanol a partir deCO2 e hidrogénio gasoso requer temperaturas até 300°C e pressões até 50 vezes superiores à pressão atmosférica normal.
Interação entre o metal catalisador e a matriz
Além disso, as nanopartículas existentes utilizadas para análise eram uma caixa negra. Enquanto os processos catalíticos apenas tinham lugar no pequeno número de átomos da superfície, muitos sinais de medição tinham origem no interior das partículas, em átomos que nem sequer estavam envolvidos na reação. Este facto dificultava a interpretação. No entanto, nos catalisadores com átomos isolados, os mecanismos de reação podem ser analisados com muito menos sinais de interferência.
Pérez-Ramírez não só tem vindo a investigar melhores catalisadores para a produção de metanol a partir deCO2 no ETH desde 2010, como também trabalha em estreita colaboração com a indústria e detém várias patentes neste domínio. Um fator-chave no desenvolvimento do novo método de catalisador de átomo único foi a grande rede que surgiu em termos de investigação em catálise na Suíça nos últimos anos, diz Pérez-Ramírez: "O desenvolvimento do catalisador de metanol e a análise detalhada do mecanismo não teriam sido possíveis sem esta experiência interdisciplinar".
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
Yung-Tai Chiang, Milica Ritopecki, Patrik O. Willi, Katja Raue, Jordi Morales-Vidal, Tangsheng Zou, Mikhail Agrachev, Henrik Eliasson, Jianyang Wang, Rolf Erni, Wendelin J. Stark, Gunnar Jeschke, Robert N. Grass, Núria López, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez; "Single atoms of indium on hafnia enable superior CO2-based methanol synthesis"; Nature Nanotechnology, 2026-3-2
Outras notícias do departamento ciência
