Os átomos individuais funcionam muito bem como catalisadores, mas geralmente não ficam solteiros por muito tempo. Os cientistas de Argonne fazem parte de uma equipe que usa ondas de choque de alta temperatura para mantê-los em seus lugares.

Um tópico atual em alta na pesquisa de catálise é o desenvolvimento de catalisadores de átomo único - aqueles cujos átomos não estão ligados uns aos outros. O aumento na exposição de catalisadores de átomo único maximiza a eficiência de uso de átomo para desempenho catalítico, auxiliando processos cruciais, como a fabricação de combustível e produtos farmacêuticos.

Sintetizar catalisadores de átomo único estáveis ​​é desafiador porque muitas das reações catalíticas mais úteis, como a conversão de metano, só pode ocorrer em altas temperaturas. Para permanecer em um estado estável, átomos únicos muitas vezes se agrupam quando altas temperaturas introduzem um aumento na instabilidade do sistema, causando um declínio em seu desempenho catalítico.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), junto com parceiros de várias universidades, demonstraram que a exposição de um catalisador e substrato a ondas de choque repetidas de alta temperatura quebra o catalisador em átomos únicos e permite que o sistema permaneça estável por períodos de tempo sem precedentes.

Nesta descoberta fundamental, os cientistas usaram platina como catalisador e carbono como substrato. A platina serve como um catalisador para muitas reações importantes, como o acionamento de células de combustível e a conversão de gás natural em formas mais úteis.

O estudo, que apareceu recentemente em Nature Nanotechnology , aproveitou a colaboração interdisciplinar entre vários laboratórios nacionais e universidades. Modelos de computador do sistema durante a pulsação de calor vieram da Universidade de Maryland. As previsões de como o sistema se comportaria corresponderam aos resultados reais obtidos durante os testes de reação na Universidade Johns Hopkins e espectroscopia de absorção de raios-X na Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility. O teste de estabilidade in situ usando microscopia de resolução atômica foi realizado na Universidade de Illinois em Chicago e no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, outro DOE Office of Science User Facility no Pacific Northwest National Laboratory.

A linha de luz APS operada pelo grupo de espectroscopia da divisão de ciência de raios-X é especializada em espectroscopia de absorção de raios-X, e hospeda uma grande variedade de usuários de áreas como armazenamento de energia, catálise e ciência ambiental. A técnica que eles empregaram para o sistema neste estudo é capaz de caracterizar exclusivamente a catálise de um único átomo. Os cientistas conseguiram mostrar que, após 10 ondas de choque, praticamente não havia ligações platina-platina, e que a platina estava se ligando ao substrato de carbono, o que é importante para explicar o desempenho otimizado do sistema.

Os cientistas dispersaram átomos de platina sobre uma superfície de carbono, e em baixas temperaturas, a platina se agrupou em vez de se ligar como átomos individuais ao carbono. Depois de uma onda de choque de alta temperatura - ou pulso de calor - as ilhas de platina começaram a se separar e, após 10 pulsos, a platina foi uniformemente dispersa e plantada no carbono.

Esses experimentos foram realizados usando ondas de choque em temperaturas recordes de até 2.000 K, uma temperatura superior até mesmo do magma mais quente abaixo da superfície da Terra, estabelecendo um ambiente catalítico estável com potencial para reação. O sistema permaneceu estável por mais de 50 horas após a síntese.

O método da onda de choque contorna o problema comum de átomos individuais se ligarem a si mesmos, porque quando você aquece átomos a altas temperaturas, o respingo de energia faz com que eles se movam e quebrem seus laços pré-existentes. Essa instabilidade interrompe as ligações platina-platina e faz com que a platina se espalhe sobre o carbono, fornecendo oportunidades estáveis ​​de energia para que ele se ligue às moléculas de carbono. Com cada onda de choque adicional, os átomos de platina se espalham cada vez mais.

"As ligações entre a platina e o carbono são fortes, então, se você separar a platina de si mesma e ela se ligar ao carbono, vai ficar lá, "disse Tianpin Wu do grupo de Espectroscopia, um cientista Argonne no estudo. "O carbono é como o solo e a platina é como uma flor com raízes fortes - o sistema é muito estável."

Usar ondas de choque térmico como um método de sintetizar catalisadores de átomo único é uma maneira eficiente e amplamente aplicável de atingir ambientes catalíticos que são convencionalmente desafiadores. A equipe planeja usar este método para sintetizar outros catalisadores importantes, como rutênio e cobalto com substratos de nitreto de carbono e dióxido de titânio para obter uma teoria mais geral de como o método funciona.

"Não queremos parar aqui, "disse Wu." Queremos estudar este novo método em reações comuns e então generalizá-lo para outros materiais. "

"Comparamos o desempenho do nosso catalisador de platina de átomo único de alta temperatura com nanopartículas de platina convencionais na conversão de metano, e vimos uma melhoria significativa na seletividade e estabilidade térmica ao longo de longos períodos de tempo, "disse Wu.

A equipe foi além para testar a estabilidade térmica do sistema, tratando os átomos individuais com ondas de choque de até 3.000 K. O resultado ainda era um mar de átomos individuais, permitindo a eficiência maximizada de uso do átomo.

"Este trabalho era como um quebra-cabeça, e todas as contribuições dos colaboradores foram necessárias para obter uma imagem detalhada do sistema, "disse Wu." Nenhuma das técnicas poderia ter contado a história sozinha, mas juntos mostramos que esse método é tão bem-sucedido quanto é. "