Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) mostraram que átomos de platina únicos presos em cristais C12A7 atuam como um catalisador estável e eficaz para a hidrogenação de nitroarenos, um processo essencial na produção de muitos tipos de produtos químicos finos. Sua abordagem pode se tornar uma rota versátil para o desenvolvimento de outros catalisadores de átomo único para uma ampla variedade de aplicações industriais.

Os catalisadores de átomo único (SACs) estão a caminho de se tornarem catalisadores de sonho - aqueles que exibem um desempenho excelente com base no uso otimizado de átomos de metal. Muitas equipes de pesquisa em todo o mundo têm trabalhado para promover o desenvolvimento escalonável de SACs desde que foram propostos pela primeira vez por Tao Zhang e colegas na China e nos Estados Unidos em 2011.

Agora, em um estudo de prova de conceito que abre as portas para o desenvolvimento de uma nova gama de SACs, pesquisadores da Tokyo Tech projetaram e testaram um catalisador composto de átomos de platina simples presos em C12A7, um cristal nanoporoso amplamente utilizado na produção de cimento aluminoso.

A estrutura interna dos cristais C12A7 é "do tamanho certo" para capturar átomos de metal simples, os pesquisadores dizem em seu artigo publicado em Nature Communications .

"Nossa abordagem é como uma estratégia de 'diamante em um anel', onde a cavidade de superfície de C12A7 pode ser considerada como um anel, e o único átomo de platina é fixado no anel como um diamante, "diz o primeiro autor Tian-Nan Ye do Centro de Pesquisa de Materiais para Estratégia de Elementos da Tokyo Tech.

Ye explica que o C12A7 tem uma estrutura estrutural carregada positivamente composta por doze gaiolas de tamanho subnano, cada um com um diâmetro interno de cerca de 0,4 nanômetros - um tamanho adequado para capturar átomos de metal individuais. Cada gaiola tem uma carga positiva de +1/3, e as cavidades superficiais têm uma 'boca' aberta que pode prender átomos de metal por meio de interação eletrônica.

O catalisador demonstrou ser altamente estável e ativo para a hidrogenação seletiva de nitroarenos, um processo importante frequentemente usado nas indústrias de corantes e polímeros. Tem uma frequência de rotação mais alta (até 25, 772 por hora) do que os catalisadores à base de platina não suportados por C12A7. Notavelmente, o novo catalisador funciona até mesmo em temperaturas de até 600 ° C.

Com base nesses resultados promissores, os pesquisadores investigaram se o efeito de aprisionamento pode funcionar usando outros metais. Como eles previram, C12A7 também foi capaz de capturar átomos únicos de rutênio e ródio, indicando que sua estratégia seria aplicável a vários metais de transição.

"Nossas descobertas abrem inúmeras portas para o desenvolvimento de novos tipos de SACs para diferentes processos catalíticos, "diz Ye. Devido à sua estabilidade térmica excepcionalmente alta, o suporte C12A7 seria capaz de suportar condições mais adversas envolvidas em outros processos industrialmente importantes, como síntese de amônia e CO ₂ redução.

Ye destaca que o desenvolvimento de SACs não pode ser separado da exploração de novos materiais. Este é um dos principais motivos pelos quais o grupo do professor Hideo Hosono na Tokyo Tech está exclusivamente posicionado para ser um pioneiro na pesquisa de SAC, ele diz, com base em uma série de realizações, incluindo o desenvolvimento de novos semicondutores, um supercondutor à base de ferro, e o primeiro eletreto estável à temperatura ambiente.