Os pesquisadores da Brown University desenvolveram uma nova teoria para explicar por que esticar ou comprimir catalisadores de metal pode fazer com que tenham um desempenho melhor. A teoria, descrito no jornal Catálise Natural , poderia abrir novas possibilidades de design para novos catalisadores com novos recursos.

Catalisadores são substâncias que aceleram as reações químicas. A grande maioria da catálise industrial envolve superfícies sólidas, frequentemente metais, que catalisam reações em líquidos ou gases. Um conversor catalítico em um carro, por exemplo, usa catalisadores de metal para retirar as toxinas dos gases de escapamento. Também há interesse em usar catalisadores de metal para converter dióxido de carbono em combustíveis, fazer fertilizantes com nitrogênio atmosférico e gerar reações em carros com células de combustível.

A pesquisa nos últimos anos mostrou que a aplicação de uma tensão a catalisadores de metal - compressão ou tensão - pode, em alguns casos, mudar a maneira como eles atuam.

"A tensão é um tópico muito importante na catálise agora, "disse Andrew Peterson, professor assistente na Escola de Engenharia de Brown e co-autor da pesquisa. "Começamos a ver coisas acontecendo sob pressão que não são facilmente explicadas pela teoria tradicional de como os catalisadores funcionam. Isso nos fez pensar sobre uma estrutura alternativa para essa questão."

Um catalisador de metal funciona fazendo com que os reagentes se liguem à sua superfície, um processo conhecido como adsorção. A adsorção quebra as ligações químicas das moléculas do reagente, permitindo que vários estágios de uma reação química ocorram na superfície do metal. Depois que as etapas de reação forem concluídas, o produto final é liberado do catalisador por meio do processo reverso, chamado dessorção.

A principal propriedade de um catalisador é sua reatividade, o que significa o quão firmemente ele liga as moléculas químicas à sua superfície. Os catalisadores precisam ser um tanto reativos para que a ligação aconteça, mas não muito reativo. Muita reatividade faz com que o catalisador segure as moléculas com muita força, o que pode atrapalhar algumas etapas da reação ou fazer com que os produtos finais não sejam dessorvidos.

Foi demonstrado nos últimos anos que a aplicação de uma cepa a um catalisador pode ajustar sua reatividade, e há uma teoria bem estabelecida de como isso funciona. De um modo geral, a teoria prevê que a tensão de tração deve aumentar a reatividade, enquanto a compressão deve reduzi-lo. Contudo, Peterson e seu grupo continuaram encontrando sistemas que não são facilmente explicados pela teoria.

Isso fez com que os pesquisadores pensassem em uma nova maneira de ver o problema. A teoria tradicional descreve coisas no nível de elétrons e bandas de elétrons. A nova teoria se afasta um pouco, concentrando-se, em vez disso, na mecânica de como as moléculas interagem com a rede atômica de um catalisador.

Peterson e sua equipe mostraram que as moléculas ligadas à superfície de um catalisador tendem a separar os átomos da rede ou aproximá-los, dependendo das características das moléculas e dos locais de ligação. As diferentes forças produzidas por moléculas têm implicações interessantes sobre como a tensão externa deve afetar a reatividade de um catalisador. Isso sugere que a tensão, que estende a rede atômica de um catalisador, deve tornar um catalisador mais reativo a moléculas que naturalmente querem separar a rede. Ao mesmo tempo, a tensão deve diminuir a reatividade das moléculas que desejam juntar a rede. A compressão - comprimir a rede - tem um efeito inverso.

A nova teoria não só ajuda a explicar resultados antes intrigantes, faz novas previsões importantes. Especificamente, ele prevê uma maneira de quebrar as relações de escala tradicionais entre catalisadores e diferentes tipos de moléculas.

"As relações de escala significam que, sob circunstâncias normais, quando você aumenta a reatividade de um catalisador para um produto químico, aumenta a reatividade para outros produtos químicos também, "Peterson disse." Da mesma forma, se você diminuir a reatividade para um produto químico, você diminui para os outros. "

Essas relações de escala causam compensações problemáticas ao tentar otimizar um catalisador. Obter a reatividade perfeita para um produto químico pode fazer com que outro produto se ligue com muita força (ou muito frouxamente), potencialmente inibindo alguns estágios de uma reação. Mas esta nova teoria sugere que a tensão pode quebrar essas relações de escala - permitindo que um catalisador ligue simultaneamente um produto químico mais firmemente e outro mais solto, dependendo da interação natural do produto químico com a rede atômica do catalisador e a forma como o campo de deformação é projetado na superfície do catalisador.

"Agora você pode começar a pensar sobre o ajuste realmente fino de catalisadores para um melhor desempenho em diferentes etapas de reação, "Peterson disse." Isso poderia melhorar drasticamente o desempenho de um catalisador, dependendo dos produtos químicos envolvidos. "

A equipe de Peterson começou a reunir um banco de dados de produtos químicos de reação comuns e suas interações com diferentes superfícies de catalisador. Esse banco de dados pode servir como um guia para encontrar reações que podem se beneficiar da deformação e da quebra das relações de escala.

Enquanto isso, Peterson espera que o trabalho que eles fizeram até agora forneça a essa comunidade catalizadora uma nova maneira de pensar sobre a tensão.

"Estamos tentando fornecer uma estrutura que forneça uma compreensão mais intuitiva de como a tensão funciona na catálise, "Peterson disse." Assim, à medida que as pessoas projetam novos catalisadores, eles podem pensar em maneiras de aproveitar melhor esses efeitos de tensão. "