A remodelação atómica abre caminho a catalisadores recordistas para a produção de hidrogénio
"Isto abre uma nova estratégia para a conceção de catalisadores adaptativos para uma vasta gama de aplicações"
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Os investigadores descobriram que os átomos podem ser misturados, separados e recombinados na mesma experiência, abrindo caminho para um catalisador recorde para a produção de hidrogénio verde.
No estudo, a equipa criou partículas à escala nanométrica contendo apenas algumas dezenas de átomos de platina e de níquel e observou um comportamento dinâmico invulgar no espaço direto e em tempo real. À medida que os dois metais se separam um do outro, mantendo uma interface, tornam-se altamente activos para a separação eletroquímica da água, conduzindo a uma evolução eficiente do hidrogénio.
O projeto é liderado pela Universidade de Nottingham, em colaboração com a Universidade de Birmingham, a Diamond Light Source e a Universidade de Ulm, na Alemanha. O estudo foi publicado hoje na revista Advanced Materials.
O Dr. Jesum Alves Fernandes, da Escola de Química da Universidade de Nottingham, que liderou a equipa de investigação, afirmou: "O que torna esta descoberta excitante é o facto de podermos afinar reversivelmente a estrutura da partícula enquanto observamos diretamente o processo à escala atómica. Isto abre uma nova estratégia para a conceção de catalisadores adaptativos para uma vasta gama de aplicações".
Quando se junta leite ao café, as duas substâncias misturam-se sem esforço e não se conseguem separar espontaneamente. Este processo é ditado pela segunda lei da termodinâmica, que regula o comportamento das moléculas e dos átomos, conduzindo a um aumento da entropia, ou seja, uma medida da desordem.
O Dr. Emerson Kohlrausch, que dirigiu o trabalho experimental na Escola de Química da Universidade de Nottingham, afirmou: "Inicialmente, quando observámos as nanopartículas de platina-níquel ao microscópio eletrónico, vimos que os dois tipos de átomos estavam misturados, como seria de esperar numa liga. No entanto, apenas alguns segundos depois, os dois metais começaram a separar-se um do outro diante dos nossos olhos. Foi uma observação surpreendente, pois parecia ir contra os comportamentos termodinâmicos convencionais".
Para obter imagens de um material por microscopia eletrónica, os átomos têm de interagir com um feixe de electrões rápidos, que podem transferir alguma da sua energia para os átomos da amostra. Este facto estimula os átomos a reorganizarem-se na partícula para ocuparem novas posições, o que, no caso do intermetálico platina-níquel, leva à separação dos metais.
Assim que o níquel se separa da platina, apanha átomos de oxigénio do ambiente, formando um óxido. "O resultado são nanopartículas compostas por duas metades - platina metálica e óxido de níquel, separadas por uma interface atomicamente definida. Criamos novos tipos de partículas híbridas e observamos a sua formação em tempo real, o que não tem precedentes", afirma o Professor Andrei Khlobystov, Professor de Nanomateriais na Universidade de Nottingham, que defende a utilização da microscopia eletrónica para a imagiologia de reacções químicas.
A equipa utilizou o feixe de electrões como ferramenta de imagem e fonte de energia para reacções químicas no passado, demonstrando a primeira observação em tempo real da quebra e formação de ligações químicas e da nucleação de cristais. O Professor Ute Kaiser, que dirigiu o projeto SALVE, que desenvolveu um microscópio único para estas experiências na Universidade de Ulm, na Alemanha, afirmou: "É importante criar condições que nos permitam seguir as posições de cada átomo. Para o conseguir, utilizámos o material mais fino possível para suportar as nanopartículas - a folha de grafeno - e controlámos cuidadosamente a energia e o fluxo do feixe de electrões".
É notável o facto de os metais poderem ser novamente misturados se as condições forem alteradas, formando uma liga, e o mesmo processo pode ser repetido várias vezes. O Dr. Emerson Kohlrausch disse: "Em vez de se comportarem como objectos sólidos rígidos, as partículas pareciam comportar-se como criaturas vivas, respondendo ao ambiente. Isto inspirou-nos a aproveitar a sua dinâmica para a catálise".
Os investigadores exploraram as partículas de platina-níquel para a produção de hidrogénio através da separação eletroquímica da água. Mostraram que o processo de separação de metais descoberto no microscópio eletrónico também ocorre nas condições de reação. O Dr. Jesum Alves Fernandes afirmou: "O que torna estas partículas tão eficazes é a cooperação entre os dois materiais após a separação. A platina e o óxido de níquel desempenham papéis diferentes na separação da água e a partilha de um limite atómico permite a cooperação final entre eles".
O efeito de cooperação aumenta a produção de hidrogénio a partir da água, tornando este material um dos catalisadores mais eficazes para a separação da água. Para além da produção de hidrogénio, as descobertas poderão influenciar a futura conceção de catalisadores para conversão de energia, fabrico de produtos químicos e processos industriais sustentáveis.
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
Emerson C. Kohlrausch, Christopher Leist, Gazi N. Aliev, Mohsen Danaie, Matthew Young, Madasamy Thangamuthu, Yifan Chen, William J. Cull, Wolfgang Theis, Ute Kaiser, Andrei N. Khlobystov, Jesum Alves Fernandes; "Direct Imaging Reveals the Atomic Mechanism of Active‐Site Formation in Nanoclusters for Hydrogen Production"; Advanced Materials, 2026-6-3
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