Partículas minúsculas, grandes surpresas: a complexidade inesperada dos catalisadores

Por Universidade de Tecnologia de Viena, 7 de junho de 2023

Catálise sob o microscópio. Pesquisadores da TU Wien usando técnicas avançadas de microscopia descobriram complexidades intrincadas no comportamento do catalisador. O estudo descobriu que fatores como tamanho da partícula, natureza do material de suporte, temperatura e pressão dos reagentes desempenham papéis cruciais na atividade catalítica. A descoberta de variação local significativa dentro de partículas de catalisador individuais informará pesquisas futuras sobre processos mais complexos e o desenvolvimento de catalisadores aprimorados. Crédito: TU Wien

Na TU Wien, os cientistas usam técnicas de microscopia para observar reações químicas em catalisadores com mais precisão do que antes, produzindo uma riqueza de detalhes. Isso deixou claro por que alguns efeitos não podem ser previstos.

Catalisadores compostos de minúsculas partículas de metal desempenham um papel importante em muitas áreas da tecnologia – desde células de combustível até a produção de combustíveis sintéticos para armazenamento de energia. O comportamento exato dos catalisadores depende, no entanto, de muitos detalhes e sua interação é muitas vezes difícil de entender. Mesmo ao preparar exatamente o mesmo catalisador duas vezes, muitas vezes ocorre que esses dois diferem em aspectos minúsculos e, portanto, se comportam quimicamente de maneira muito diferente.

Na TU Wien, os cientistas tentam identificar as razões para tais efeitos por meio de imagens das reações catalíticas que ocorrem em vários locais desses catalisadores, aplicando várias técnicas diferentes de microscopia. Tal abordagem produz uma compreensão confiável e microscopicamente correta dos processos catalíticos.

Ao fazer isso, parecia que mesmo os sistemas catalíticos relativamente "simples" eram mais complexos do que o esperado. Por exemplo, não é apenas o tamanho das partículas metálicas empregadas ou a natureza química do material de suporte que define as propriedades catalíticas. Mesmo dentro de uma única partícula de metal, diferentes cenários podem prevalecer na escala micrométrica. Em combinação com simulações numéricas, o comportamento de diferentes catalisadores pode ser explicado e previsto corretamente.

Nove configurações diferentes de catalisadores foram usadas para transformar hidrogênio e oxigênio em água. Crédito: TU Wien

"Nós investigamos a combustão do possível futuro portador de energia hidrogênio com oxigênio, formando água pura, usando partículas de ródio como catalisadores", explica o Prof. Günther Rupprechter do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. Vários parâmetros desempenham um papel importante neste processo: Qual é o tamanho das partículas de ródio individuais? A que material de suporte se ligam? Em que temperatura e em quais pressões de reagente a reação ocorre?

"O catalisador é feito de partículas de ródio suportadas, mas não se comporta como um objeto uniforme que pode ser descrito por alguns parâmetros simples, como frequentemente tentado no passado", destaca Günther Rupprechter. "Logo ficou claro que o comportamento catalítico varia fortemente em diferentes locais do catalisador. Uma determinada área em uma determinada partícula de ródio pode ser cataliticamente ativa, enquanto outra, a apenas micrômetros de distância, pode ser cataliticamente inativa. E alguns minutos depois, o a situação pode até ter se invertido."

Para os experimentos, o primeiro autor do estudo, que foi publicado na prestigiada revista ACS Catalysis, Dr. Philipp Winkler, preparou uma amostra impressionante de catalisador, compreendendo nove catalisadores diferentes com partículas metálicas de tamanhos diferentes e materiais de suporte variados. Em um aparelho dedicado, todos os catalisadores podem, portanto, ser observados e comparados simultaneamente em um único experimento.

"Com nossos microscópios, podemos determinar se o catalisador é cataliticamente ativo, sua composição química e propriedades eletrônicas - e isso para cada ponto individual da amostra", diz Philipp Winkler. "Em contraste, os métodos tradicionais geralmente medem apenas um valor médio para toda a amostra. No entanto, como demonstramos, isso geralmente não é suficiente."

A análise química em escala microscópica mostrou que a composição do catalisador pode variar localmente ainda mais do que o esperado: Mesmo dentro das partículas de metal individuais foram observadas fortes diferenças. "Os átomos do material de suporte podem migrar para dentro das partículas ou até mesmo formar ligas de superfície", afirma Günther Rupprechter. "Em algum ponto, não há mais um limite claro, mas sim uma transição contínua entre a partícula do catalisador e o material de suporte. É crucial considerar esse fato - porque também afeta a atividade química."