O poder invisível do triângulo metálico
Por que é que se consegue produzir amoníaco com um triângulo de átomos de ferro, mas não com um triângulo de crómio
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Dois materiais quase idênticos, mas com comportamentos químicos totalmente diferentes: equipas de investigação da Universidade de Viena e da Universidade Técnica de Viena estudaram catalisadores que permitem aproveitar a energia da luz solar para produzir amoníaco. Surpreendentemente, descobriu-se que, se se substituírem três átomos de ferro — que, nestes catalisadores, estão dispostos em pequenos triângulos — por átomos de cromo, a reação química deixa de ocorrer.
Conseguiu-se agora explicar a razão para tal: as estruturas triangulares de ferro e de cromo têm propriedades magnéticas completamente diferentes, e são precisamente essas propriedades magnéticas que indicam se o material é ou não adequado como catalisador. Ambas as equipas de investigação fazem parte do Cluster de Excelência MECS (Materials for Energy Conversion and Storage) da FWF, que se dedica ao desenvolvimento de novos materiais para a transição energética.
Produção de fertilizantes com elevado consumo de energia
O amoníaco é indispensável para a humanidade: os fertilizantes à base de amoníaco ajudam a alimentar uma grande parte da população mundial. No entanto, a produção industrial de amoníaco a partir de azoto e hidrogénio requer normalmente altas temperaturas e alta pressão – sendo, por isso, extremamente intensiva em energia. Por isso, está-se a trabalhar numa alternativa que consuma menos energia: os fotocatalisadores são materiais especiais e inovadores que absorvem a luz solar e utilizam a sua energia para converter o azoto em amoníaco.
«Os compostos de estrutura metalorgânica são candidatos promissores para este fim», afirma Jana Bischoff (Universidade Técnica de Viena). «Trata-se de cristais que contêm pequenas cavidades. A sua estrutura é constituída por nós com átomos metálicos, ligados entre si por moléculas orgânicas.»
A equipa investigou uma estrutura denominada MOF MIL-101. Nesta estrutura, em cada nó existem três átomos metálicos, dispostos em triângulo em torno de um átomo de oxigénio central. Esta estrutura pode ser produzida com diferentes tipos de átomos metálicos, sem alterar a estrutura. Mas, do ponto de vista químico, a diferença é enorme: com átomos de ferro, a estrutura pode produzir amoníaco quando exposta à luz; com crómio, essa reação não ocorre.
Inicialmente, tentou-se explicar esta diferença com base nos diferentes números de eletrões. No entanto, a equipa descobriu agora que a orientação magnética dos átomos desempenha um papel decisivo – o chamado «spin».
A três, não se consegue olhar nos olhos uns dos outros
O spin de um átomo deste tipo pode assumir vários estados. Para átomos vizinhos, nesta estrutura cristalina, é vantajoso ter orientações de spin o mais opostas possível — por exemplo, um para cima e o outro para baixo. «No entanto, no nosso catalisador, estamos perante um triângulo formado por três átomos de ferro», afirma Patrick Lechner (Universidade de Viena). «Isto significa que os dois primeiros átomos de ferro podem assumir orientações magnéticas opostas, mas o terceiro já não consegue cumprir este requisito.» Este fenómeno é designado por «frustração magnética».
«É como se três pessoas sentadas à mesa quisessem ficar todas exatamente uma de frente para a outra», explica Patrick Lechner. «As duas primeiras podem olhar-se diretamente nos olhos. Mas isso é impossível para as três ao mesmo tempo.»
Um triângulo de cromatomos, por outro lado, comporta-se de forma fundamentalmente diferente: aqui, dois dos átomos estabelecem uma ligação magnética significativamente mais forte e formam, de certa forma, um par. O terceiro liga-se a eles apenas fracamente – como se duas pessoas se voltassem uma para a outra e conversassem diretamente, enquanto a terceira pessoa fica à margem.
O que importa é a intensidade do acoplamento
Ora, verificou-se que estes diferentes acoplamentos magnéticos estão intimamente relacionados com o facto de o azoto se ligar aos átomos metálicos com intensidades diferentes a partir do exterior. No caso dos átomos de ferro, com a sua «frustração magnética», verifica-se uma força de ligação moderada entre o ferro e o azoto — forte o suficiente para reter esse azoto e transformá-lo em amoníaco, mas fraca o suficiente para libertar novamente os átomos de azoto a seguir. Isto é quase ideal: assim, é possível produzir uma molécula de amoníaco de cada vez.
No caso dos átomos de cromo, porém, verifica-se uma ligação significativamente mais forte com o azoto. Isto significa que esse azoto já não pode ser libertado com rapidez suficiente, o local do metal permanece ocupado e a estrutura não consegue reter mais azoto. Como catalisador, esta estrutura não é, portanto, adequada.
O trabalho da equipa demonstra que, mesmo com uma estrutura cristalina de resto totalmente idêntica, a escolha do metal pode determinar a forma como os spins interagem. «Esta impressão digital magnética é uma chave importante para compreender como estes materiais funcionam como catalisadores», sublinha Leticia González (Universidade de Viena).
«Agora podemos, de certa forma, observar como os átomos metálicos comunicam magneticamente entre si num ponto de junção destes cristais e quais os efeitos que isso tem no comportamento do material enquanto catalisador», afirma Dominik Eder (Universidade Técnica de Viena). «Este é um passo importante no sentido da produção de amoníaco com poupança de energia.»
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.
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