Capturar dióxido de carbono (CO2) e convertê-lo em produtos químicos úteis, como metanol, pode reduzir a poluição e nossa dependência de produtos petrolíferos. Portanto, os cientistas estão intensamente interessados ​​nos catalisadores que facilitam essas conversões químicas. Como negociadores moleculares, os catalisadores reúnem os produtos químicos reagentes de uma maneira que torna mais fácil para eles quebrar e reorganizar suas ligações químicas. Compreender os detalhes dessas interações moleculares pode apontar para estratégias para melhorar os catalisadores para reações mais eficientes em termos de energia.

Com esse objetivo em mente, Químicos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e seus colaboradores acabam de divulgar resultados de experimentos e estudos de modelagem computacional que identificam definitivamente o "sítio ativo" de um catalisador comumente usado para fazer metanol a partir de CO2. Os resultados, publicado no jornal Ciência , resolver um debate antigo sobre exatamente quais componentes catalíticos participam das reações químicas - e deve ser o foco dos esforços para aumentar o desempenho.

"Este catalisador feito de cobre, óxido de zinco, e óxido de alumínio - é usado na indústria, mas não é muito eficiente ou seletivo, "disse o químico de Brookhaven Ping Liu, o autor principal do estudo, que também ocupa um cargo adjunto na vizinha Stony Brook University (SBU). "Queremos melhorá-lo, e fazê-lo operar em temperaturas e pressões mais baixas, o que economizaria energia, " ela disse.

Mas antes deste estudo, diferentes grupos de cientistas propuseram dois locais ativos diferentes para o catalisador - uma parte do sistema apenas com átomos de cobre e zinco, ou uma porção com óxido de cobre e zinco.

"Queríamos saber qual parte da estrutura molecular se liga, se rompe e faz ligações para converter reagentes em produto - e como isso acontece, "disse o co-autor Jose Rodriguez, outro químico de Brookhaven associado à SBU.

Descobrir, Rodriguez realizou uma série de experimentos de laboratório usando catalisadores modelo bem definidos, incluindo um feito de nanopartículas de zinco suportadas em uma superfície de cobre, e outro com nanopartículas de óxido de zinco em cobre. Para diferenciar os dois, ele usou um feixe de raios-x energético para zapear as amostras, e mediu as propriedades dos elétrons emitidos. Essas "assinaturas" eletrônicas contêm informações sobre o estado de oxidação dos átomos dos quais os elétrons vieram - seja zinco ou óxido de zinco.

Enquanto isso Liu, Jingguang Chen, do Brookhaven Lab e da Columbia University, e Shyam Kattel, o primeiro autor do artigo e um pós-doutorado co-orientado por Liu e Chen, utilizou recursos computacionais no Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven e no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) - duas instalações do DOE Office of Science User - para modelar como esses dois tipos de catalisadores se envolveriam nas transformações de CO2 em metanol . Esses estudos teóricos usam cálculos que levam em consideração os princípios básicos de quebrar e fazer ligações químicas, incluindo a energia necessária, os estados eletrônicos dos átomos, e as condições de reação, permitindo que os cientistas derivem as taxas de reação e determinem qual catalisador dará a melhor taxa de conversão.

"Descobrimos que o óxido de cobre e zinco deve dar os melhores resultados, e que o cobre-zinco nem mesmo é estável sob as condições de reação, "disse Liu." Na verdade, ele reage com o oxigênio e se transforma em óxido de cobre e zinco. "

Essas previsões corresponderam ao que Rodriguez observou em laboratório. "Descobrimos que todos os locais que participaram dessas reações eram óxido de cobre e zinco, " ele disse.

Mas não se esqueça do cobre.

"Em nossas simulações, todos os intermediários da reação - os produtos químicos que se formam no caminho do CO2 para o metanol - se ligam ao cobre e ao óxido de zinco, "Kattel disse." Portanto, há uma sinergia entre o cobre e o óxido de zinco que acelera a transformação química. Você precisa do cobre e do óxido de zinco. "

A otimização da interface cobre / óxido de zinco se tornará o principal motor para o projeto de um novo catalisador, os cientistas dizem.

“Este trabalho demonstra claramente a sinergia da combinação de esforços teóricos e experimentais para estudar sistemas catalíticos de importância industrial, "disse Chen." Continuaremos a utilizar as mesmas abordagens combinadas em estudos futuros. "

Por exemplo, disse Rodriguez, "Tentaremos diferentes configurações dos átomos na interface cobre / óxido de zinco para ver como isso afeta a taxa de reação. vamos passar de estudar o sistema modelo para sistemas que seriam mais práticos para uso pela indústria. "

Uma ferramenta essencial para esta próxima etapa será a Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II), outro recurso de usuário do Office of Science. NSLS-II produz feixes de raios-x extremamente brilhantes - cerca de 10, 000 vezes mais brilhante do que a fonte de raio-x de laboratório de feixe largo usada neste estudo. Esses intensos feixes de raios-X permitirão aos cientistas tirar fotos de alta resolução que revelam informações estruturais e químicas sobre o catalisador, os reagentes, e os intermediários químicos que se formam à medida que a reação ocorre.

"E vamos continuar a expandir a teoria, "disse Liu." A teoria aponta para os detalhes mecanicistas. Queremos modificar as interações na interface cobre / óxido de zinco para ver como isso afeta a atividade e eficiência do catalisador, e precisaremos da teoria para avançar com isso também. "