p (PhysOrg.com) - Químicos da Universidade de Utah demonstraram a primeira ligação conclusiva entre o tamanho das partículas de catalisador em uma superfície sólida, suas propriedades eletrônicas e sua capacidade de acelerar reações químicas. O estudo é um passo em direção ao objetivo de projetar mais barato, catalisadores mais eficientes para aumentar a produção de energia, reduzir os gases que aquecem a Terra e fabricar uma ampla variedade de produtos, desde remédios até gasolina. p Catalisadores são substâncias que aceleram reações químicas sem serem consumidos pela reação. Eles são usados ​​para fabricar muitos produtos químicos e industriais. A economia mundial depende deles.

p “Uma das grandes incertezas na catálise é que ninguém realmente entende o tamanho das partículas do catalisador que realmente fazem uma reação química acontecer, ”Diz Scott Anderson, um professor de química da Universidade de Utah e autor sênior do estudo na sexta-feira, Edição de 6 de novembro da revista Ciência . “Se pudéssemos entender quais fatores controlam a atividade dos catalisadores, então poderíamos fazer catalisadores melhores e mais baratos. ”

p “A maioria dos catalisadores são metais nobres caros, como ouro, paládio ou platina, " ele adiciona. “Digamos em um catalisador de ouro, a maior parte do metal está na forma de grandes partículas, mas essas partículas grandes são inativas e apenas nanopartículas com cerca de 10 átomos estão ativas. Isso significa que mais de 90 por cento do ouro no catalisador não está fazendo nada. Se você pudesse fazer um catalisador com apenas as partículas de tamanho certo, você poderia economizar 90 por cento do custo ou mais. ”

p Além disso, “Há um grande interesse em aprender como fazer catalisadores a partir de metais básicos muito mais baratos, como o cobre, níquel e zinco, ”Anderson diz. “E a maneira como você vai fazer isso é‘ ajustando ’suas propriedades químicas, o que significa ajustar as propriedades eletrônicas porque os elétrons controlam a química. ”

p A ideia é “pegar um metal que não seja cataliticamente ativo e, quando você reduz para o tamanho apropriado [partículas], pode se tornar catalítico, ”Anderson diz. “Esse é o foco do nosso trabalho - tentar identificar e entender quais tamanhos de partículas de metal são ativos como catalisadores e por que são ativos como catalisadores.”

p No novo estudo, Anderson e seus alunos deram um passo para "ajustar" os catalisadores para ter as propriedades desejadas, demonstrando, pela primeira vez, que o tamanho das "nanopartículas" do catalisador de metal depositado em uma superfície afeta não apenas o nível de atividade do catalisador, mas as propriedades eletrônicas das partículas.

p Anderson conduziu o estudo com alunos de doutorado em química Bill Kaden e William Kunkel, e com o ex-aluno de doutorado Tianpin Wu. Kaden foi o primeiro autor.

p “Os catalisadores são uma grande parte da economia, ”Anderson diz. “Os catalisadores são usados ​​para praticamente todos os processos industriais, desde a fabricação de gasolina e polímeros até a remediação da poluição e propulsores de foguetes. ”

p Os catalisadores são usados ​​em 90 por cento dos processos de fabricação de produtos químicos dos EUA e para fazer mais de 20 por cento de todos os produtos industriais, e esses processos consomem grandes quantidades de energia, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA (DOE).

p Além disso, indústria produz 21 por cento das emissões de dióxido de carbono do aquecimento da Terra dos EUA - incluindo 3 por cento pela indústria química, DOE diz.

p Assim, melhorar a eficiência dos catalisadores é “a chave para a economia de energia e a redução das emissões de dióxido de carbono, ”Diz a agência.

p Os catalisadores também são usados ​​na fabricação de medicamentos; processamento de comida; células de combustível; produção de fertilizantes; conversão de gás natural, carvão ou biomassa em combustíveis líquidos; e sistemas para reduzir poluentes e melhorar a eficiência da combustão na produção de energia.

p A Sociedade de Catálise da América do Norte afirma que os catalisadores contribuem com 35% ou mais do Produto Interno Bruto global. “A maior parte dessa contribuição vem da geração de combustíveis de alta energia (gasolina, diesel, hidrogênio), que dependem criticamente do uso de pequenas quantidades de catalisadores em ... refinarias de petróleo, ”Diz o grupo.

p “O desenvolvimento de catalisadores baratos ... é fundamental para a captura de energia, conversão e armazenamento, ”Diz Henry White, professor e catedrático de química na Universidade de Utah. “Esta pesquisa é vital para a segurança energética da nação.”

p Pesquisa Catalyst:O que estudos anteriores e o novo estudo mostraram

p Muitos catalisadores importantes - como os dos conversores catalíticos que reduzem as emissões dos veículos motorizados - são feitos de partículas de metal que variam em tamanho de mícrons a nanômetros.

p À medida que o tamanho de uma partícula de metal catalisador é reduzido para a nanoescala, suas propriedades permanecem inicialmente as mesmas de uma partícula maior, Anderson diz. Mas quando o tamanho é menor do que cerca de 10 nanômetros - contendo cerca de 10, 000 átomos de catalisador - os movimentos dos elétrons no metal são confinados, então suas energias inerentes são aumentadas.

p Quando há menos de cerca de 100 átomos nas partículas de catalisador, as variações de tamanho também resultam em flutuações na estrutura eletrônica dos átomos do catalisador. Essas flutuações afetam fortemente a capacidade das partículas de agirem como um catalisador, Anderson diz.

p Experimentos anteriores documentaram que as propriedades eletrônicas e químicas de um catalisador são afetadas pelo tamanho das partículas de catalisador que flutuam em um gás. Mas essas partículas isoladas de catalisador são bastante diferentes dos catalisadores montados em uma superfície de óxido de metal - a maneira como o metal do catalisador é suportado em catalisadores industriais reais.

p Experimentos anteriores com catalisadores montados em uma superfície geralmente incluíam uma ampla variedade de tamanhos de partículas. Portanto, esses experimentos falharam em detectar como a atividade química do catalisador e as propriedades eletrônicas variam dependendo do tamanho das partículas individuais.

p Anderson foi o primeiro químico americano a classificar as partículas de catalisador de metal por tamanho e demonstrar como sua reatividade muda com o tamanho. Em trabalhos anteriores, ele estudou partículas de catalisador de ouro depositadas em dióxido de titânio.

p O novo estudo usou partículas de paládio de tamanhos específicos que foram depositadas no dióxido de titânio e usadas para converter o monóxido de carbono em dióxido de carbono.

p O estudo não só mostrou como a atividade catalítica varia com o tamanho da partícula do catalisador, “Mas fomos capazes de correlacionar essa dependência de tamanho com diferenças eletrônicas observadas nas partículas de catalisador, ”Kaden diz. “As pessoas especularam que isso deveria estar acontecendo, mas ninguém nunca viu. ”

p Anderson diz que é a primeira demonstração de uma forte correlação entre o tamanho e a atividade de um catalisador em uma superfície de metal e as propriedades eletrônicas do catalisador.

p Como o estudo foi conduzido

p Usando um aparelho elaborado no laboratório de Anderson, os químicos apontaram um feixe de laser para vaporizar o paládio, criando eletricamente carregado, nanopartículas de paládio em um vapor transportado por uma corrente de gás hélio.

p Os campos eletromagnéticos são usados ​​para capturar as partículas e enviá-las através de um espectrômetro de massa, que seleciona apenas os tamanhos das partículas de paládio que Anderson e seus colegas desejam estudar. As partículas desejadas são então depositadas em um único cristal de óxido de titânio que mede menos de meia polegada de lado.

p Próximo, os químicos usam vários métodos para caracterizar a amostra de partículas de catalisador de paládio:especificamente as propriedades eletrônicas do catalisador de paládio, forma física e atividade química.

p Fornecido pela University of Utah (notícias:web)