Para otimizar o desempenho do catalisador, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e colaboradores desenvolveram uma compreensão detalhada do efeito das alterações estruturais e composicionais em nanoescala induzidas pelo pré-tratamento na atividade do catalisador e na estabilidade de longo prazo.

A pesquisa pode tornar a produção do acetaldeído químico importante como matéria-prima industrial mais eficiente.

Melhorias na eficiência energética da produção de produtos químicos são necessárias para atender aos desafios globais de energia. A catálise heterogênea usando nanomateriais tem o potencial de aumentar substancialmente a eficiência por meio do aumento da seletividade da reação e da diminuição da temperatura de operação para processos de alto volume. Os nanomateriais também podem permitir novos processos catalíticos que melhoram a eficiência, eliminando a necessidade de separação de subprodutos, como água.

A produção do acetaldeído é um bom exemplo da necessidade de melhorar a eficiência energética das transformações químicas. O acetaldeído é uma matéria-prima para vários produtos químicos industriais.

O processo atual de produção de acetaldeído é a desidrogenação oxidativa do etanol catalisada pela prata, que requer alta temperatura e separação do subproduto, agua.

Mas a equipe LLNL e colaboradores encontraram uma maneira de estabilizar catalisadores de cobre dopado com níquel (Ni) (Cu) que permitem a desidrogenação catalítica não oxidativa direta do etanol em acetaldeído e hidrogênio, um combustível limpo.

"A desidrogenação não oxidativa do etanol apresenta muitas vantagens em relação aos métodos de produção atuais, incluindo a geração de hidrogênio como um subproduto, evitando simultaneamente a separação de água, o subproduto da desidrogenação oxidativa do etanol, "disse o cientista de materiais do LLNL Juergen Biener, autor principal de um artigo publicado na revista Ciência e tecnologia de catálise .

Os cientistas estão interessados ​​em catalisadores compostos de Ni e Cu por causa de seu uso em muitas aplicações catalíticas e eletrocatalíticas (incluindo redução de dióxido de carbono). Eles também são abundantes e relativamente baratos.

Usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X in situ e ex situ e várias técnicas de microscopia eletrônica, a equipe descobriu que a atividade catalítica e a estabilidade de um catalisador de liga de NiCu nanoporoso (np) podem ser melhoradas gerando um estado subsuperficial de Ni cineticamente aprisionado por meio de um pré-tratamento com oxigênio.

A exposição da superfície oxidada ao etanol na temperatura de reação reduz a superfície de CuO, enquanto a maior parte do Ni permanece oxidado e incorporado no Cu. Neste estado, A dopagem com níquel fornece uma atividade estável (mais de 60 horas) e melhorada para a desidrogenação catalítica de etanol em acetaldeído e hidrogênio.

"Este estudo enfatiza a importância de compreender as mudanças dinâmicas das superfícies catalíticas desencadeadas pela exposição a gases reativos como uma ferramenta para ajustar as propriedades dos materiais e melhorar seu desempenho, com implicações que se estendem à eletrocatálise, fotocatálise, Ciência de materiais, aplicações biológicas baseadas em metais e além, "Biener disse.