Os catalisadores são o resultado de químicos que buscam desvendar a beleza das moléculas e o mistério das reações químicas. Professor Jeong Young Park, cuja pesquisa se concentra em reações químicas catalíticas, não é exceção. Sua equipe de pesquisa recentemente fez descobertas ao abordar questões de longa data para a compreensão dos mecanismos de reação em catalisadores bimetais.

Durante os estudos relatados em Avanços da Ciência , seguinte publicação em Nature Communications este mês, A equipe de pesquisa do professor Park identificou que a formação de interfaces de óxido de metal é o principal fator responsável pelo efeito catalítico sinérgico em catalisadores bimetais. A equipe confirmou esse mecanismo fundamental de reação por meio de imagens in situ das condições de reação. Esta é a primeira visualização de superfícies bimetálicas sob condições de reação, significando o papel das interfaces metal-óxido na catálise heterogênea.

Os materiais bimetálicos têm excelente desempenho catalítico, que abre um novo caminho para o controle de estruturas eletrônicas e energia de ligação em catalisadores. Apesar da pesquisa considerável sobre várias eficiências de reação catalítica, ainda há perguntas sem resposta sobre os princípios subjacentes à melhoria do desempenho. Ainda mais, foi muito difícil descobrir o que levou à eficiência porque a estrutura, composição química, e o estado de oxidação de materiais bimetálicos muda de acordo com as condições de reação.

Recentemente, grupos de pesquisa sugeriram que os sítios interfaciais óxido-metal formados pela segregação da superfície de nanopartículas bimetálicas podem ser responsáveis ​​pelo aumento do desempenho catalítico. Contudo, eles falharam em apresentar qualquer evidência definitiva que ilustrasse a natureza física ou o papel fundamental das interfaces óxido-metal levando à melhoria do desempenho.

Para abordar especificamente este desafio, a equipe de pesquisa realizou observações in situ da modulação estrutural em catalisadores bimetais de níquel-platina sob condições de oxidação de monóxido de carbono com microscopia de varredura por tunelamento à pressão ambiente e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X à pressão ambiente.

A equipe observou que os catalisadores bimetais de níquel-platina exibiram uma variedade de estruturas diferentes dependendo das condições do gás. Sob condições de ultra-alto vácuo, a superfície exibiu uma camada de pele de platina na superfície da liga de níquel-platina, segregação seletiva de níquel seguida pela formação de aglomerados de óxido de níquel usando oxigênio gasoso, e, finalmente, a coexistência de aglomerados de óxido de níquel na película de platina durante a oxidação do monóxido de carbono. A equipe de pesquisa descobriu que a formação de nanoestruturas interfaciais de óxido de níquel-platina é responsável por uma etapa altamente eficiente na reação de oxidação do monóxido de carbono.

Estas descobertas ilustram que o aumento da atividade catalítica na superfície do catalisador bimetálico se origina das vias de reação termodinamicamente eficientes na interface metal-óxido de metal, o que demonstra um processo direto para o forte efeito de interação metal-suporte. A formação dessas nanoestruturas de óxido de metal interfacial aumenta a atividade catalítica, enquanto fornece uma via de reação termodinamicamente eficiente, reduzindo o calor das reações na superfície.

O professor Park disse que uma forma de monitorar os catalisadores é detectar elétrons quentes associados aos processos de dissipação e conversão de energia durante as reações de superfície. Sua equipe liderou a detecção em tempo real de elétrons quentes gerados em nanopartículas bimetálicas de PtCo durante a oxidação exotérmica do hidrogênio. A equipe esclareceu com sucesso a origem da atividade catalítica sinérgica de nanopartículas de PtCo com valores de corrente química correspondentes.

Ao estimar o rendimento da corrente química, a equipe de pesquisa concluiu que as propriedades catalíticas das nanopartículas bimetálicas são fortemente governadas pela interface óxido-metal, o que facilita a transferência de elétrons quentes.

Professor Park explicou, "Sentimos que a medição precisa de elétrons quentes em catalisadores dá uma visão do mecanismo de catálise heterogênea, o que pode ajudar com o design inteligente de materiais altamente reativos. O controle da atividade catalítica via engenharia eletrônica de catalisadores é uma perspectiva promissora que pode abrir as portas para o novo campo de combinação de catálise com eletrônica, chamado de 'catalitrônica'. "Ele acrescentou que o estudo também estabelece uma estratégia para melhorar a atividade catalítica para reações catalíticas em reatores químicos industriais.