Uma equipe de pesquisa da Universidade de Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering e da Cullen College of Engineering da Universidade de Houston identificou e mediu com sucesso a fração de um elétron envolvida na fabricação catalítica.
As descobertas, publicadas no jornal de acesso aberto ACS Central Science, esclarecem por que metais preciosos como ouro, prata e platina se destacam em processos catalíticos. Os resultados também apontam novas possibilidades para o design de materiais catalíticos avançados.
Por que os Catalisadores São Importantes na Indústria Moderna
Os catalisadores industriais — substâncias que reduzem a quantidade de energia necessária para uma determinada reação química — ajudam os fabricantes a aumentar a velocidade, o rendimento ou a eficiência na produção de materiais essenciais. Eles desempenham um papel crucial em campos que vão desde farmacêuticos e baterias até operações petroquímicas, como refino de petróleo bruto, permitindo que os sistemas de produção atendam à demanda global.
Melhorar a velocidade, a confiabilidade e o controle dos catalisadores se tornou um objetivo importante para os grandes setores de combustíveis, produtos químicos e materiais. Conforme essas indústrias se expandem, a corrida para desenvolver sistemas catalíticos mais eficientes e de menor custo se intensificou em todo o mundo.
Descobrindo Como Moléculas Compartilham Elétrons com Metais
Quando as moléculas encontram uma superfície catalítica, elas trocam uma parte de seus elétrons com o metal (neste caso, ouro, prata ou platina). Essa interação estabiliza temporariamente as moléculas, permitindo que as reações prossigam. Cientistas suspeitam desse comportamento há mais de 100 anos, mas as pequenas frações de um elétron envolvidas nunca haviam sido medidas diretamente.
Pesquisadores do Centro de Catálise Energética Programável, com sede na Universidade de Minnesota, demonstraram agora que essa troca de elétrons pode ser medida diretamente usando uma técnica que criaram chamada Titulação Eletrônica Isopotencial (IET).
Uma Visão Mais Clara do Comportamento dos Catalisadores
“Medir frações de um elétron em escalas incrivelmente pequenas fornece a visão mais clara até agora do comportamento das moléculas em catalisadores,” disse Justin Hopkins, estudante de doutorado em engenharia química da Universidade de Minnesota e autor principal do estudo de pesquisa. “Historicamente, os engenheiros de catalisadores confiavam em medições mais indiretas em condições idealizadas para entender as moléculas em superfícies. Em vez disso, este novo método de medição oferece uma descrição tangível da ligação superficial em condições relevantes para a catálise.”
Saber exatamente quanto transferência de elétrons ocorre na superfície de um catalisador é essencial para entender quão efetivamente ele irá desempenhar sua função. Moléculas que compartilham seus elétrons mais facilmente tendem a se ligar mais fortemente e reagir mais facilmente. Metais preciosos alcançam o nível ideal de compartilhamento de elétrons necessário para impulsionar reações catalíticas, mas a escala precisa desse compartilhamento nunca havia sido capturada diretamente até agora.
IET como uma Nova Ferramenta para Descoberta de Catalisadores
A técnica IET pode agora ser usada para descrever e comparar diretamente novas formulações de catalisadores, ajudando os pesquisadores a identificar materiais promissores mais rapidamente.
“A IET nos permitiu medir a fração de um elétron que é compartilhada com uma superfície catalisadora em níveis abaixo de um por cento, como é o caso de um átomo de hidrogênio em platina,” disse Omar Abdelrahman, autor correspondente e professor associado no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Cullen College of Engineering da Universidade de Houston. “Um átomo de hidrogênio cede apenas 0,2% de um elétron ao se ligar em catalisadores de platina, mas é essa pequena porcentagem que possibilita que o hidrogênio reaja na fabricação química industrial.”
Conectando Nanotecnologia, Aprendizado de Máquina e Catálise
O crescimento rápido das técnicas de nanotecnologia para a construção de catalisadores, combinado com ferramentas de aprendizado de máquina que podem explorar e analisar vastos conjuntos de dados, já expandiu o catálogo de materiais catalíticos conhecidos. A IET fornece uma terceira abordagem complementar, permitindo que os pesquisadores examinem o comportamento dos catalisadores diretamente no nível eletrônico fundamental.
“A fundação para novas tecnologias catalíticas para a indústria sempre foi a pesquisa básica fundamental,” diz Paul Dauenhauer, Professor Distinto e diretor do Centro de Catálise Energética Programável da Universidade de Minnesota. “Esta nova descoberta da distribuição fracionária de elétrons estabelece uma nova base científica totalmente nova para entender catalisadores que acreditamos que impulsionará novas tecnologias energéticas nas próximas décadas.”
Parte de uma Iniciativa Nacional Maior
Esta descoberta apoia a missão mais ampla do Centro de Catálise Energética Programável, um dos Centros de Pesquisa de Fronteira em Energia do Departamento de Energia dos EUA. Desde seu lançamento em 2022, o Centro tem trabalhado para desenvolver tecnologias catalíticas de próxima geração que visam produzir materiais, produtos químicos e combustíveis por meio de sistemas de catalisadores dinâmicos avançados.