Os cientistas estão entusiasmados com a perspectiva de reduzir os catalisadores a átomos individuais. Ligado aos milhões a uma superfície de suporte, eles podem oferecer o máximo em velocidade e especificidade.

Agora, os pesquisadores deram um passo importante para compreender os catalisadores de átomo único, ajustando deliberadamente como eles estão ligados às superfícies que os sustentam - neste caso, as superfícies das nanopartículas. Eles anexaram um átomo de platina a cada nanopartícula e observaram como a mudança na química da superfície da partícula e a natureza da ligação afetava o quão ansioso o átomo era para catalisar reações.

Os principais experimentos para o estudo ocorreram no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, e os resultados foram relatados em Materiais da Natureza ontem.

"Acreditamos que esta é a primeira vez que a reatividade de um catalisador de átomo único metálico foi rastreada até uma forma específica de anexá-lo a uma estrutura de suporte particular. Este estudo também é único no controle sistemático dessa fixação, "disse Simon R. Bare, um distinto cientista da equipe da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e um co-autor do estudo.

"Este é um avanço científico importante, e compreender, em um nível fundamental, como a estrutura se relaciona com a reatividade, nos permitirá projetar catalisadores para serem muito mais eficientes. Há um grande número de pessoas trabalhando neste problema. "

Tratamento severo, bons resultados

Bare e outros cientistas do SLAC fizeram parte de um estudo anterior no SSRL que descobriu que átomos individuais de irídio podem catalisar uma reação particular até 25 vezes mais eficientemente do que as nanopartículas de irídio usadas hoje, que contêm 50 a 100 átomos.

Este último estudo foi liderado pelo Professor Associado Phillip Christopher, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. Ele examinou átomos individuais de platina ligados a nanopartículas separadas de dióxido de titânio em seu laboratório. Embora essa abordagem provavelmente não seja prática em uma fábrica de produtos químicos ou no conversor catalítico do seu carro, deu à equipe de pesquisa um controle primorosamente preciso de onde os átomos foram colocados e do ambiente imediatamente ao seu redor, Bare disse.

Os pesquisadores deram às nanopartículas tratamentos químicos - agressivos ou suaves - e usaram os raios X do SSRL para observar como esses tratamentos mudaram onde e como os átomos de platina se fixaram na superfície.

Enquanto isso, cientistas da Universidade da Califórnia, Irvine observou diretamente as ligações e posições dos átomos de platina com microscópios eletrônicos, e pesquisadores da UC-Santa Barbara mediram o quão ativos os átomos de platina estavam em reações de catalisação.

Rompendo a superfície

Um átomo de platina tem seis locais de ligação onde pode se ligar a outros átomos. Em nanopartículas não tratadas, os átomos foram enterrados na superfície e firmemente ligados a seis átomos de oxigênio cada; eles não tinham sítios de ligação livres que pudessem agarrar outros átomos e iniciar uma reação catalítica.

Em partículas levemente tratadas, os átomos de platina emergiram da superfície e foram ligados a apenas quatro átomos de oxigênio cada, deixando-os dois locais de ligação livres e o potencial para mais atividade catalítica.

E em partículas severamente tratadas, os átomos aderiram à superfície por apenas duas ligações, deixando quatro locais de ligação livres. Quando os pesquisadores testaram a capacidade das nanopartículas tratadas de vários modos de catalisar uma reação em que o monóxido de carbono se combina com o oxigênio para formar dióxido de carbono - a mesma reação que ocorre no conversor catalítico de um carro - este saiu por cima, Bare disse, with five times greater activity than the others.

"While this study shows the importance of understanding the dynamic nature of catalysts, " Christopher said, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."