Os catalisadores são casamenteiros químicos:eles aproximam outros produtos químicos, aumentando a chance de que eles reajam entre si e produzam algo que as pessoas desejam, como combustível ou fertilizante.

Uma vez que alguns dos melhores materiais catalisadores também são bastante caros, como a platina no conversor catalítico de um carro, os cientistas vêm procurando maneiras de reduzir a quantidade de que precisam usar.

Agora os cientistas têm seu primeiro contato direto, visão detalhada de como um único átomo catalisa uma reação química. A reação é a mesma que remove o monóxido de carbono venenoso do escapamento do carro, e átomos individuais de irídio fizeram o trabalho até 25 vezes mais eficientemente do que as nanopartículas de irídio contendo 50 a 100 átomos que são usadas hoje.

A equipe de pesquisa, liderado por Ayman M. Karim da Virginia Tech, relatou os resultados em Catálise Natural .

"Esses catalisadores de átomo único são um tópico muito importante no momento, "disse Simon R. Bare, um co-autor do estudo e distinto cientista do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory, onde partes importantes do trabalho ocorreram. "Isso nos dá uma nova lente para observar as reações, e novos insights sobre como eles funcionam. "

Karim acrescentou, "Para nosso conhecimento, este é o primeiro artigo a identificar o ambiente químico que torna um único átomo cataliticamente ativo, determinar diretamente o quão ativo é em comparação com uma nanopartícula, e mostrar que há diferenças muito fundamentais - mecanismos totalmente diferentes - na maneira como eles reagem. "

É menor realmente melhor?

Os catalisadores são a espinha dorsal da indústria química e essenciais para o refino de petróleo, onde eles ajudam a quebrar o petróleo bruto em gasolina e outros produtos. Os catalisadores de hoje geralmente vêm na forma de nanopartículas presas a uma superfície porosa como uma esponja - tão cheia de pequenos orifícios que um único grama dela, desdobrado, pode cobrir uma quadra de basquete. Isso cria uma área enorme onde milhões de reações podem ocorrer ao mesmo tempo. Quando o gás ou líquido flui sobre e através da superfície esponjosa, produtos químicos se ligam às nanopartículas, reagem um com o outro e flutuem para longe. Cada catalisador é projetado para promover uma reação específica repetidamente.

Mas as reações catalíticas ocorrem apenas nas superfícies das nanopartículas, Bare disse, "e embora sejam partículas muito pequenas, o caro metal no interior da nanopartícula é desperdiçado. "

Átomos individuais, por outro lado, poderia oferecer o máximo em eficiência. Cada átomo pode atuar como um catalisador, agarrando reagentes químicos e mantendo-os juntos até que se liguem. Você poderia colocar muito mais deles em um determinado espaço, e nem um grão de metal precioso iria para o lixo.

Os átomos individuais têm outra vantagem:ao contrário dos aglomerados de átomos, que estão ligados uns aos outros, átomos únicos estão ligados apenas à superfície, portanto, eles têm mais locais de ligação potenciais disponíveis para realizar truques químicos - o que, neste caso, foi muito útil.

A pesquisa sobre catalisadores de átomo único explodiu nos últimos anos, Karim disse, mas até agora ninguém foi capaz de estudar como funcionam em detalhes suficientes para ver todos os passos intermediários fugazes ao longo do caminho.

Pegando ajuda

Para obter mais informações, a equipe analisou uma reação simples em que átomos individuais de irídio dividem as moléculas de oxigênio em duas, e os átomos de oxigênio reagem com o monóxido de carbono para criar dióxido de carbono.

Eles usaram quatro abordagens - espectroscopia infravermelha, microscópio eletrônico, cálculos teóricos e espectroscopia de raios-X com feixes do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) - para atacar o problema de diferentes ângulos, e isso foi crucial para obter uma imagem completa.

"Nunca é apenas uma coisa que lhe dá uma resposta completa, "Bare disse." São sempre várias peças do quebra-cabeça se encaixando.

A equipe descobriu que cada átomo de irídio faz, na verdade, execute um truque químico que aprimore seu desempenho. Ele pega uma única molécula de monóxido de carbono da passagem do fluxo de gás e a segura, como uma pessoa enfiando um pacote debaixo do braço. A formação dessa ligação desencadeia pequenas mudanças na configuração dos elétrons do átomo de irídio que o ajudam a dividir o oxigênio, portanto, ele pode reagir com o gás monóxido de carbono restante e convertê-lo em dióxido de carbono com muito mais eficiência.

Mais perguntas estão por vir:esse mesmo mecanismo funcionará em outras reações catalíticas, permitindo que funcionem com mais eficiência ou em temperaturas mais baixas? Como a natureza do catalisador de átomo único e a superfície em que ele se assenta afetam sua ligação com o monóxido de carbono e a maneira como a reação ocorre?

A equipe planeja retornar ao SSRL em janeiro para continuar o trabalho.