Nova ferramenta de simulação detecta reacções catalíticas desconhecidas
O método reconhece os mecanismos de reação sem conhecimentos prévios de química
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Os óxidos de azoto, que são produzidos como subprodutos indesejáveis da combustão, podem ser convertidos novamente em azoto molecular utilizando materiais catalisadores porosos. Uma equipa de químicos da Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), liderada pelo Professor Júnior Dr. Jan Meisner, investigou as reacções envolvidas e desenvolveu uma nova ferramenta de simulação. Na revista Angewandte Chemie, apresentam o seu potencial de aplicação para novos catalisadores.
Rede de reacções da SCR. As espécies moleculares são representadas por pontos que estão ligados através de reacções (linhas). O ciclo de catálise da SCR, que também é apresentado, foi extraído desta rede de reacções.
Adapted from Fig. 3 from DOI: 10.1002/ange.202514074
Muitos milhares de mortes por ano são atribuídas aos óxidos de azoto (NOx), que podem ser produzidos, por exemplo, em motores de combustão de automóveis a altas temperaturas. Estão sobretudo associados a doenças cardiovasculares. Hoje em dia, os veículos a motor devem estar equipados com catalisadores especiais, nos quais uma grande parte dos óxidos de azoto é transformada em azoto inofensivo (N2) através de um processo conhecido como redução catalítica selectiva (SCR).
Os catalisadores porosos, como os zeólitos, são utilizados na purificação dos gases de escape. Têm superfícies (interiores) extremamente grandes e centros activos complexos onde podem ser catalisadas numerosas vias de reação diferentes. Estes zeólitos têm poros da ordem do nanómetro (ou seja, da bilionésima parte do metro) que funcionam como gaiolas moleculares: encerram as moléculas reagentes para que estas reajam diretamente nos centros activos.
"Nestes poros, ocorre um grande número de reacções químicas, todas elas ligadas entre si e em concorrência umas com as outras. Formam redes de reacções com milhares de etapas intermédias. Conhecemos muitas reacções, mas existem frequentemente mecanismos completamente novos e inesperados que muitas vezes não temos em mente", diz o Professor Júnior Dr. Jan Meisner do Instituto de Química Física da HHU. No meu grupo de trabalho, desenvolvemos um método que utiliza a "dinâmica molecular de nanoreactores periódicos" para reconhecer mecanismos de reação mesmo sem conhecimentos químicos prévios, de modo a que a rede de reacções possa ser explorada de forma autónoma e automática."
Os cálculos de mecânica quântica são essenciais para a determinação precisa das taxas de reação. No entanto, estes são muito intensivos em termos de computação, o que significa que a dinâmica dos átomos e moléculas em reação só pode ser simulada durante um período de tempo muito curto. Com a ajuda da "dinâmica molecular de nanoreactores" (NMD), as moléculas recebem um impulso energético adicional, com o qual podem ser observadas mais reacções químicas nas simulações. Os químicos da HHU alargaram esta técnica para detetar reacções muito raras em materiais porosos e para observar diretamente mecanismos anteriormente desconhecidos.
O método abre uma nova perspetiva sobre as redes catalíticas: em vez de olhar para as etapas individuais isoladamente, toda a rede de reacções se torna visível. Isto significa que também é possível descobrir reacções secundárias, intermediários e mecanismos de reação complexos.
Daniel Deißenbeck, primeiro autor do artigo agora publicado na revista Angewandte Chemie: "Uma caraterística especial da nossa abordagem NMD é o seu poder de previsão: explora o espaço químico de forma independente e sem pressupostos adicionais, ou seja, também 'encontra' reacções em que nem sequer tínhamos pensado". Ao avaliar posteriormente os resultados em termos de energia, utilizando métodos estabelecidos, os investigadores obtêm dados termodinâmicos significativos para os mecanismos encontrados.
Os químicos de Düsseldorf aplicaram este método à SCR dos óxidos de azoto e às suas reacções secundárias. De particular importância neste caso é a formação de óxido nitroso (N2O), que ainda não é totalmente compreendida. Este potente gás com efeito de estufa é produzido como um subproduto indesejável e deve ser evitado sempre que possível. "Encontrámos uma via radicalar para a produção de óxido nitroso que não se verificava em modelos anteriores. Os nossos resultados poderão contribuir para o desenvolvimento de catalisadores de gases de escape mais eficientes e com menores emissões", explica Deißenbeck.
Para além do novo método de investigação de redes de reação, o trabalho de Düsseldorf abre um vasto leque de aplicações na investigação em catálise, por exemplo, na química sustentável, em processos de baixas emissões e na conceção de novos catalisadores. Em particular, podem também ser investigadas reacções noutros materiais porosos, como compostos organometálicos e em superfícies. Meisner: "A longo prazo, o nosso método pode ajudar a encurtar significativamente os ciclos de desenvolvimento na investigação de catalisadores, uma vez que as vias de reação potencialmente relevantes podem ser sistematicamente identificadas numa fase inicial, permitindo a conceção de catalisadores específicos."
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 Alemão pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; "Reaction Discovery in Porous Materials Using Periodic Nanoreactor Molecular Dynamics"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 65, 2025-12-15
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; "Entdeckung von Reaktionsmechanismen in porösen Materialien mittels periodischer Nanoreaktor‐Molekulardynamik"; Angewandte Chemie, Volume 138, 2026-1-1
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