Determinar as energias de ligação ideais para reações químicas heterogêneas - geralmente significando que o reagente está na fase gasosa ou líquida, enquanto o catalisador é um sólido - é crítico para muitos aspectos da sociedade moderna, já que contamos com tais reações para processos tão diversos como a produção de fertilizantes e plásticos. Há uma energia de ligação ideal - ou seja, o grau de interação entre os reagentes e o catalisador - onde o processo é mais eficiente (se for muito baixo, os reagentes não vão reagir com o catalisador, e se for muito alto, eles permanecerão ligados a ele), e os catalisadores são projetados com base nisso.

Agora, em uma descoberta que pode levar ao desenvolvimento de novos catalisadores que não dependem de metais raros caros, cientistas do Centro RIKEN para Ciência de Recursos Sustentáveis ​​mostraram que a energia de ligação ideal pode se desviar dos cálculos tradicionais, que são baseados na termodinâmica de equilíbrio, em altas taxas de reação. Isso significa que pode ser necessário reconsiderar o projeto de catalisadores usando os novos cálculos para obter as melhores taxas.

Reações químicas heterogêneas são usadas em muitos processos industriais. Alguns dos mais conhecidos são a produção de amônia pelo processo Haber-Bosch, a produção de plásticos usando a reação Ziegler-Natta, e a dessulfuração do petróleo. Em 1911, o químico francês Paul Sabatier propôs, com base em experimentos, que existe uma energia de ligação ótima que permite que a atividade catalítica seja maximizada. Recentemente, avanços na química computacional forneceram uma estrutura com a qual calcular a energia de ligação ideal, com base na termodinâmica de equilíbrio e assumindo que o processo irá prosseguir suavemente se todas as etapas do processo forem termodinamicamente favoráveis. Aqui, o papel do catalisador é melhorar a termodinâmica da etapa mais desfavorável. O problema é que "ótimo" geralmente é entendido como significando que a reação requer o mínimo de força motriz possível, de modo que seja termodinamicamente eficiente, mas no mundo real, muitas vezes é mais prático ter uma taxa de catálise mais alta, mesmo que uma força motriz maior seja necessária.

A equipe realizou um novo conjunto de cálculos, com base na modelagem cinética de reação, que levam essa discrepância em consideração, e calculou novas energias de ligação ideais para a oxidação de hidrogênio, que usa catálise heterogênea, descobrindo que os cálculos deram valores diferentes em altas taxas de reação. "Ficamos felizes em ver, "diz Hideshi Ooka, o primeiro autor do estudo, "que nossos cálculos prevêem novas estratégias de design de catalisador que não poderiam ter sido obtidas usando o tradicional, abordagem termodinâmica. "

De acordo com Ryuhei Nakamura, chefe da equipe de pesquisa de catalisadores biofuncionais do Center for Sustainable Resource Center, "Com base nesta descoberta, planejamos procurar novos catalisadores, usando elementos como cobre ou níquel, que podem impulsionar reações catalíticas heterogêneas, mas são menos dispendiosas e mais ecológicas do que as atuais, que muitas vezes requerem metais preciosos, como platina e paládio. "

Ele continua, "Consequentemente, pesquisas para encontrar novos catalisadores usando nosso método podem contribuir para alcançar três dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas:Objetivo 7 (energia limpa e acessível), Meta 12 (produção e consumo responsáveis), e Meta 13 (ação climática). "

O estudo foi publicado no The Journal of Physical Chemistry Letters .