Uma pequena quantidade de compressão ou alongamento pode produzir um grande impulso no desempenho catalítico, de acordo com um novo estudo liderado por cientistas da Universidade de Stanford e SLAC National Accelerator Laboratory.

A descoberta, publicado em 18 de maio em Nature Communications , concentra-se em um catalisador industrial conhecido como óxido de cério, ou ceria, um material esponjoso comumente usado em conversores catalíticos, fornos autolimpantes e várias aplicações de energia verde, como células de combustível e divisores solares de água.

"Ceria armazena e libera oxigênio conforme necessário, como uma esponja, "disse o co-autor do estudo Will Chueh, professor assistente de ciência dos materiais e engenharia em Stanford e cientista docente no SLAC. "Descobrimos que esticar e comprimir a céria em alguns por cento aumenta dramaticamente sua capacidade de armazenamento de oxigênio. Essa descoberta derruba a sabedoria convencional sobre materiais óxidos e pode levar a catalisadores melhores."

Conversores catalíticos

Ceria é usado há muito tempo em conversores catalíticos para ajudar a remover poluentes do ar dos sistemas de exaustão de veículos.

"No seu carro, céria retira oxigênio de óxido de nitrogênio venenoso, criando gás nitrogênio inofensivo, "disse o autor principal do estudo, Chirranjeevi Balaji Gopal, um ex-pesquisador de pós-doutorado em Stanford. "Ceria então libera o oxigênio armazenado e o usa para converter o monóxido de carbono letal em dióxido de carbono benigno."

Estudos mostraram que apertar e esticar a céria causa mudanças em nanoescala que afetam sua capacidade de armazenar oxigênio.

"A capacidade de armazenamento de oxigênio da céria é crítica para sua eficácia como catalisador, "disse o co-autor do estudo Aleksandra Vojvodic, um ex-cientista da equipe do SLAC agora na Universidade da Pensilvânia, que liderou o aspecto computacional deste trabalho. “A expectativa teórica baseada em estudos anteriores é que o alongamento da céria aumentaria sua capacidade de armazenar oxigênio, enquanto a compactação diminuiria sua capacidade de armazenamento. "

Para testar esta previsão, a equipe de pesquisa cultivou filmes ultrafinos de céria, cada um com apenas alguns nanômetros de espessura, em cima de substratos feitos de materiais diferentes. Este processo sujeitou a céria a um estresse igual a 10, 000 vezes a atmosfera da Terra. Esse enorme estresse fez com que as moléculas de céria se separassem e se comprimissem a uma distância de menos de um nanômetro.

Resultados surpresa

Tipicamente, materiais como a céria aliviam o estresse formando defeitos no filme. Mas a análise em escala atômica revelou uma surpresa.

"Usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução para resolver a posição de átomos individuais, mostramos que os filmes permanecem esticados ou comprimidos sem formar tais defeitos, permitindo que o estresse permaneça com força total, "disse Robert Sinclair, professor de ciência de materiais e engenharia em Stanford.

Para medir o impacto do estresse sob condições operacionais do mundo real, os pesquisadores analisaram as amostras de céria usando os feixes brilhantes de luz de raios-X produzidos na fonte de luz avançada do Lawrence Berkeley National Laboratory.

Os resultados foram ainda mais surpreendentes.

"Descobrimos que os filmes tensos exibiram um aumento de quatro vezes na capacidade de armazenamento de oxigênio da céria, - disse Gopal. - Não importa se você estica ou comprime. Você obtém um aumento notavelmente semelhante. "

A técnica de alto estresse usada pela equipe de pesquisa é facilmente alcançável por meio da nanoengenharia, Chueh adicionado.

"Esta descoberta tem implicações significativas sobre como nanoengenharia de materiais de óxido para melhorar a eficiência catalítica para conversão e armazenamento de energia, "disse ele." É importante para o desenvolvimento de células de combustível de óxido sólido e outras tecnologias de energia verde, incluindo novas maneiras de fazer combustíveis limpos de dióxido de carbono ou água. "