Pesquisadores de química da Georgia State University desvendaram um dos mistérios das reações catalíticas em escala microscópica, permitindo a concepção de processos industriais mais eficientes.

Os catalisadores - que aceleram as reações químicas em tudo, desde a digestão de alimentos até motores de combustão em veículos - são essenciais para transformar matérias-primas em produtos úteis nas indústrias, incluindo petróleo, plásticos, papel, produtos farmacêuticos e cerveja. Compreender como as reações ocorrem pode ajudar os cientistas a desenvolver melhores catalisadores que economizem mais energia e sejam ambientalmente sustentáveis.

Os pesquisadores estabeleceram uma nova estratégia de imagem que pode rastrear moléculas individuais conforme elas passam por minúsculos poros nas camadas das esferas de sílica e monitorar a dinâmica da reação química nos centros catalíticos no núcleo, produzindo as primeiras medições quantitativas de como o confinamento em uma escala nano realmente acelera as reações catalíticas.

Compreender este surpreendente "efeito de nanoconfinamento" pode ajudar a orientar o projeto de precisão de catalisadores industriais mais eficientes que podem conservar energia.

"Você quer fazer um produto específico e tem a opção de diferentes materiais porosos que podem fazer coisas diferentes. Qual deles vai lhe dar a melhor taxa de conversão e maior velocidade?" disse Ning Fang, professor associado de química no estado da Geórgia, que publicou os resultados da pesquisa em Nature Communications . "Agora temos uma teoria baseada em evidências experimentais que adicionamos às simulações para ter uma melhor previsão do que pode ser o resultado do uso de certos catalisadores."

O estudo das reações catalíticas limitava-se anteriormente a modelos teóricos e computacionais. O sistema de imagem de uma única molécula, projetado pelo associado de pesquisa de pós-doutorado do estado da Geórgia, Bin Dong, e publicado em Catálise Natural , permite aos pesquisadores, pela primeira vez, ver e medir as reações que ocorrem em uma pequena esfera porosa de várias camadas criada por colaboradores na Universidade Estadual de Iowa, liderada pelo professor Wenyu Huang e pesquisador associado de pós-doutorado Yuchen Pei.

As moléculas do reagente precisam se orientar em uma direção específica para se encaixar nos nanoporos - aberturas que são cerca de 100 vezes menores do que a largura de um fio de cabelo. Os nanoporos são comparáveis ​​em diâmetro ao tamanho da molécula do reagente e quando sua ponta atinge o núcleo ativo, ele imediatamente aciona a primeira etapa da reação após o contato. O produto intermediário gerado, Contudo, é capturado pelo nanoporo à medida que a reação continua por meio de três etapas para formar a molécula do produto final.

Ao contrário da teoria convencional, esta "barreira nanoporosa" acelera a reação em vez de retardá-la, com base na medição experimental de Fang de energia de ativação. Apesar do movimento molecular ser restringido pela presença de uma concha porosa, o processo é realmente ampliado pelo confinamento, o estudo descobriu.

"Instintivamente, seria de se esperar uma diminuição da atividade quando os centros catalíticos são protegidos das moléculas do reagente por uma camada nanoporosa, "Fang disse." No entanto, nossa evidência experimental conta uma história diferente. E mais surpreendentemente, as atividades catalíticas são ainda mais aprimoradas para catalisadores com estruturas nanoporosas mais longas e estreitas, até que os benefícios do nanoconfinamento sejam superados pelo transporte molecular restrito no invólucro nanoporoso. "

Esta descoberta pode ter implicações importantes na engenharia de novos catalisadores. Por exemplo, o equivalente a mais de 500 milhões de barris de gasolina é usado todos os anos para converter etano e propano em alcenos que são usados ​​para fazer plásticos, detergentes e outros produtos. A aplicação de catalisadores mais eficientes em grande escala pode economizar muita energia no processo.