Química ao vivo:usando um microscópio de tunelamento de varredura, pesquisadores da Universidade Técnica de Munique (TUM) puderam, pela primeira vez, testemunhar em detalhes a atividade dos catalisadores durante uma reação eletroquímica. As medições mostram como a estrutura da superfície dos catalisadores influencia sua atividade. O novo método de análise agora pode ser usado para melhorar os catalisadores para a indústria eletroquímica.

Sem transição de energia sem catalisadores:por conta própria, os processos químicos necessários para fabricar gás hidrogênio usando eletricidade, para converter o hidrogênio de volta em energia elétrica nas células de combustível, ou a conversão de dióxido de carbono em combustível ocorre muito lentamente para ter um uso prático. Os catalisadores aceleram a reação sem se esgotarem.

"Os catalisadores são de enorme importância para a indústria. Portanto, a indústria tem grande interesse em aprimorar ainda mais os materiais a fim de aumentar a eficiência dos processos ", explica Aliaksandr Bandarenka, Professor de Física de Conversão e Armazenamento de Energia no TUM.

Trabalhando junto com sua equipe, o químico forneceu agora um pré-requisito crucial para fazer isso:pela primeira vez, um microscópio de tunelamento de varredura foi usado com sucesso para examinar a superfície durante um processo catalítico. Desta forma, foi possível determinar em detalhes os locais em que a velocidade de reação e, portanto, a atividade dos catalisadores é mais elevada. Os resultados foram publicados na revista Natureza .

Na busca por centros ativos

Há muito tempo agora, pesquisadores suspeitaram que existe uma relação entre a estrutura da superfície e a atividade de catalisadores heterogêneos, onde as reações químicas ocorrem na superfície limite entre um sólido e um líquido ou gás. Catalisadores heterogêneos são usados, por exemplo, na produção eletrolítica de gás hidrogênio ou para limpar gases de escapamento de veículos.

"Contudo, as reações químicas não ocorrem na mesma velocidade em todos os locais. Em vez de, existem centros ativos na superfície dos catalisadores ", relatórios Bandarenka. "Anteriormente, tivemos que confiar em cálculos de modelo e medições indiretas para localizar esses centros. "

Com o novo procedimento de análise, a existência dos centros ativos agora pode ser comprovada experimentalmente. Amostras com materiais catalisadores - incluindo platina e uma combinação de ouro e paládio - são cobertas com uma camada de eletrólito líquido e examinadas usando um microscópio de tunelamento de varredura.

Enquanto os íons de hidrogênio (ou seja, prótons) recebem elétrons do eletrodo, na superfície do catalisador, e formar gás hidrogênio, a ponta do microscópio varre a superfície do catalisador a uma distância de apenas alguns angstroms. Ponto por ponto, a "corrente de tunelamento" que flui entre a superfície e a ponta agora é medida. Um computador conectado ao dispositivo registra os sinais.

Um mistério "barulhento"

"Interessantemente, as correntes de tunelamento não são as mesmas em todos os lugares. Existem áreas onde a corrente é mais forte, mas flui de forma irregular - é 'barulhento' ", relatórios Bandarenka. A existência desse ruído é conhecida há muito tempo, mas até hoje, ninguém investigou o que causa isso.

Durante a avaliação dos dados, a equipe TUM descobriu uma relação distinta entre a intensidade do ruído e defeitos na superfície dos catalisadores - etapas microscopicamente pequenas, arestas, ou cantos. "À medida que o número de defeitos aumenta, o mesmo acontece com o ruído - mais fluxo de elétrons e, portanto, mais corrente também ", explica Bandarenka.

O princípio do fast food

O pesquisador gosta de comparar o comportamento dos íons com o dos hóspedes de um restaurante fast food:Quando o assento é desconfortável, eles saem imediatamente sem consumir nada. Por outro lado, se os assentos são extremamente confortáveis, eles permanecem sentados por muito tempo, bloqueando os assentos para novos convidados. Somente quando o assento não é nem muito confortável nem muito desconfortável é que os clientes vêm, comer, e saia novamente.

Visto em termos dos processos químicos durante a eletrólise, isso significa o seguinte:Se a superfície do catalisador for muito quimicamente atraente ou repelente para os íons de hidrogênio, a reação é interrompida. As áreas mais eficazes são onde os íons são atraídos, mas não permaneça por muito tempo.

Menos vizinhos resultam em reações melhores

Pequenos defeitos na rede atômica, mas também fronteiras entre os materiais - por exemplo, paládio sobre ouro - parecem criar essas condições ideais para a catálise. Mas por que? "Nossos experimentos mostram que o número de átomos vizinhos e a força resultante da ligação é um fator crucial para a atividade", explica Oliver Schneider, um dos co-autores da publicação.

Os pesquisadores do TUM pretendem agora usar as descobertas para desenvolver materiais catalíticos mais eficazes com áreas ativas que sejam as maiores possíveis.