Catalisadores de metal de transição, como níquel e cobalto, são amplamente utilizados na indústria para produzir hidrogênio e outros compostos úteis a partir do gás natural. Os pesquisadores alcançam essa transformação por meio da reforma a vapor, que é o processo de aquecimento de metano com vapor na presença do catalisador, produzindo assim hidrogênio e monóxido de carbono.

Os metais de transição são conhecidos por suas capacidades catalíticas superiores e os pesquisadores sabem que as reações mais significativas ocorrem na superfície dos catalisadores. Até aqui, a busca por catalisadores ainda melhores tem sido amplamente baseada em tentativa e erro, e na suposição de que as reações catalisadas ocorrem nas bordas das etapas e em outros locais de defeitos atômicos dos cristais de metal.

Uma equipe de pesquisa internacional da Suíça, Os Países Baixos, e os Estados Unidos combinaram experimentos usando técnicas avançadas de infravermelho com a teoria quântica para explorar as reações de dissociação do metano nos mínimos detalhes. Pela primeira vez, suas pesquisas mostram exatamente onde ocorrem as reações mais significativas na superfície do catalisador. Os pesquisadores se concentraram na platina (Pt) como catalisador para quebrar o metano, mas o modelo pode ser aplicado a outros catalisadores de metal de transição, como o níquel. Eles relatam suas descobertas esta semana em The Journal of Chemical Physics , da AIP Publishing.

"Uma teoria preditiva testada com precisão química pode mudar a maneira como se busca por novos catalisadores e tornar a busca mais eficiente e barata, "disse Rainer Beck, co-autor do artigo e professor de ciência química e engenharia na cole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL).

Na escala atômica, a superfície de um catalisador de platina (bem como outros cristais de metal) pode consistir em etapas, terraços, e outros defeitos que são vistos como "locais" importantes no processo catalítico.

A equipe de pesquisa usou o bombeamento de laser infravermelho para excitar as moléculas de metano em estados quânticos rotacionais e vibracionais selecionados. Os pesquisadores então usaram a espectroscopia infravermelha de reflexão e absorção (RAIRS) para detectar a dissociação do metano em vários locais do cristal de Pt (211). RAIRS é uma técnica não intrusiva que permite aos pesquisadores monitorar as reações químicas em tempo real durante a deposição de, nesse caso, metano na superfície de Pt registrando curvas de absorção específicas do local para espécies metil adsorvidas quimicamente em locais de degraus e terraços. Com base nessas medições, os pesquisadores podem então determinar os níveis de reatividade do metano em cada um dos locais.

Os pesquisadores também empregaram o modelo hamiltoniano do caminho de reação, uma estrutura de teoria quântica, para calcular a superfície de energia potencial e explorar a dinâmica durante as reações químicas. Seus resultados mostraram que as reações de dissociação são pelo menos duas ordens de magnitude mais eficientes nas escadas do que nos terraços. Além disso, nenhuma reação ocorreu em um terceiro tipo de local de superfície localizado entre os degraus e o terraço (referido como "átomos de canto").

"Demonstramos que é possível usar a detecção RAIRS para medições específicas do estado e do local da superfície da reatividade do metano e comparar o efeito da excitação vibracional na reatividade nas etapas e terraços de uma superfície do catalisador, "Beck disse." Esta nova área de estudo fornece outro nível de detalhe na detecção de produtos de dissociação do metano. "