Um composto cristalino chamado dióxido de rutênio é amplamente utilizado em processos industriais, onde é particularmente importante para catalisar uma reação química que divide as moléculas de água e libera oxigênio. Mas o mecanismo exato que ocorre na superfície deste material, e como essa reação é afetada pela orientação das superfícies do cristal, nunca foi determinado em detalhes. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de várias outras instituições pôde pela primeira vez estudar diretamente o processo em nível atômico.

As novas descobertas são relatadas esta semana no jornal Catálise Natural , em um artigo do Professor Yang Shao-Horn do MIT, estudantes de pós-graduação recentes Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano e Jaclyn Lunger, e 10 outros no MIT, Laboratório Nacional de Argonne, e outras instituições.

O trabalho envolveu anos de colaboração e um processo iterativo entre a modelagem de computador átomo por átomo do processo catalítico, e experimentos de precisão, incluindo alguns usando uma instalação única de raios-X síncrotron em Argonne, que permite a sondagem em escala atômica da superfície do material.

"Acho que o aspecto empolgante do trabalho é que empurramos um pouco os limites de nossa compreensão da catálise da divisão da água, "Shao-Horn diz." Tentamos aprender o que acontece nos locais de oxigênio da superfície sob condições de reação, uma etapa crítica para definir os locais ativos para dividir a água. "

O processo catalítico, conhecida como reação de evolução de oxigênio, é crucial para a produção de hidrogênio e amônia para uso de energia, fazendo combustíveis sintéticos neutros em carbono, e fabricação de metais a partir de óxidos metálicos. E atualmente, As superfícies de dióxido de rutênio são "o padrão ouro de catalisadores para separação de água, "de acordo com Shao-Horn.

Embora o processo de dividir a água para separar os átomos de oxigênio de seus dois átomos de hidrogênio ligados à superfície de um catalisador possa parecer simples, no nível molecular, Rao diz, "essa interface é bastante complicada. Você tem um número realmente grande de moléculas de água e sua superfície pode estar completamente desordenada e ter vários processos acontecendo ao mesmo tempo." Para dar sentido a tudo isso, "a primeira coisa que fazemos é reduzir a complexidade tendo superfícies de cristal único realmente bem definidas", onde a localização exata de cada átomo foi determinada usando espalhamento de raios-X síncrotron para sondar a superfície.

"Usando esta técnica, podemos basicamente ampliar essa camada superior, " ela diz, e então eles podem variar a voltagem aplicada à superfície para ver como o processo de oxidação da água é afetado. No novo estudo, porque os pesquisadores determinaram os locais de atividade e reação para diferentes orientações da superfície do cristal, eles foram capazes de incorporar essa informação em sua modelagem molecular no computador. Isso lhes permitiu obter mais insights sobre a energética das reações que ocorrem em configurações atômicas específicas na superfície.

O que eles descobriram foi que "é muito mais intrigante, "porque não há apenas um site responsável pela reação, Diz Rao. "Não é como se cada site fosse idêntico, mas você tem locais diferentes que podem desempenhar papéis diferentes "no conjunto de etapas da reação. Diferentes etapas de determinação de taxa podem ser possíveis, com as taxas relativas de divisão de água influenciadas pela orientação das faces da rede cristalina expostas, e os novos insights podem ajudar a otimizar a maneira como os catalisadores são preparados a fim de otimizar as taxas de reação.

Rao diz que compreender a nível molecular a influência dessas diferenças sutis poderia ajudar no projeto de catalisadores futuros que poderiam superar os níveis de atividade mais elevados que seriam previstos pelos métodos tradicionais de descrição de estruturas eletrônicas.

Shao-Horn acrescenta que, embora seu estudo tenha analisado especificamente o dióxido de rutênio, o trabalho de modelagem que eles fizeram pode ser aplicado a uma variedade de processos catalíticos, todos os quais envolveram reações semelhantes de quebra e refazer ligações químicas por meio de interações com locais ativos na superfície do material.

A modelagem da atividade de superfície pode ser usada para ajudar na triagem de novos materiais catalíticos em potencial para uma variedade de reações, ela diz, por exemplo, para encontrar materiais que usam menos ou raros, elementos caros.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.