Bilhões de catalisadores de metais nobres são usados ​​em todo o mundo para a produção de produtos químicos, geração de energia, ou limpar o ar. Contudo, os recursos necessários para esse fim são caros e sua disponibilidade é limitada. Para otimizar o uso de recursos, catalisadores baseados em átomos de metal único foram desenvolvidos. Uma equipe de pesquisa do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) demonstrou que átomos de metais nobres podem se reunir para formar aglomerados sob certas condições. Esses aglomerados são mais reativos do que os átomos individuais e, portanto, os gases de exaustão podem ser removidos com muito mais facilidade. Os resultados são relatados em Catálise Natural .

Os catalisadores de metais nobres são usados ​​para uma ampla gama de reações. Entre outros, eles são aplicados em quase todos os processos de combustão para reduzir as emissões de poluentes. Muitas vezes, eles consistem em partículas muito pequenas do componente ativo, como um metal nobre, que são aplicados a um material de suporte. Essas chamadas nanopartículas são compostas de vários milhares de átomos de metal. "Mas apenas átomos do lado de fora estão ativos na reação, enquanto a maioria dos átomos permanece sem uso, "explica o professor Jan-Dierk Grunwaldt do Instituto de Tecnologia Química e Química de Polímeros (ITCP) do KIT. Ao alterar as condições de operação, a estrutura de tal catalisador e, portanto, sua atividade pode ser alterada.

"Em altas temperaturas no sistema de gases de escape de um carro, que são alcançados durante uma longa viagem em uma rodovia, por exemplo, a interação entre o metal nobre e o transportador pode levar à formação de átomos individuais, ou seja, isolado, átomos de metal separados no transportador, "Grunwaldt diz." Pode-se esperar que tais catalisadores de átomo único atinjam uma taxa de utilização muito alta dos componentes de metal nobre, porque todos os átomos podem teoricamente participar da reação. "Contrariamente a esta expectativa, Contudo, a equipe de Grunwaldt, em cooperação com os professores Christof Wöll do Instituto de Interfaces Funcionais do KIT e Felix Studt do Instituto de Pesquisa e Tecnologia de Catálise do KIT, descobriu que esses átomos precisam primeiro formar aglomerados de metais nobres sob condições de reação para se tornarem ativos.

Os pesquisadores induziram especificamente a formação de átomos individuais e examinaram sua estrutura minuciosamente durante a reação. Com a ajuda de espectroscopia altamente especializada e cálculos teóricos, que foram usados ​​pela primeira vez para esta classe de catalisadores, a equipe conseguiu explicar por que os átomos de platina freqüentemente têm baixa atividade. “Para converter poluentes, eles geralmente têm que reagir com o oxigênio no catalisador. Por esta, ambos os componentes devem estar disponíveis ao mesmo tempo e local, que não pode ser alcançado para átomos de platina isolados, como o oxigênio para a reação necessária está muito fortemente ligado ao componente transportador - no nosso caso, óxido de cério, "diz Florian Maurer da ITCP, um dos principais autores do estudo. "Depois de quebrar as ligações de óxido de platina-cério, átomos de platina podem se mover pela superfície do portador. Em uma próxima etapa, esses átomos de platina formam pequenos aglomerados de platina, em que a reação ocorre muito mais rápido do que em átomos individuais. "

Clusters têm uma estrutura ideal para alta atividade

Os estudos da equipe comprovam que nem as nanopartículas nem os átomos isolados atingem a atividade máxima. "O ótimo está no meio. É alcançado por pequenos aglomerados de metais nobres, "Grunwaldt diz." Estabilizar esses aglomerados de metais nobres pode ser a chave para reduzir substancialmente o consumo de metais nobres na produção de catalisadores. Por anos, a distribuição cada vez mais fina do componente de metal nobre tem sido uma das principais estratégias no projeto de novos catalisadores. Nossos experimentos agora revelaram os limites na faixa atômica. "Os resultados do estudo serão usados ​​agora para o design baseado em conhecimento e desenvolvimento de catalisadores de estabilidade aprimorada e atividade de longo prazo. Este será um foco principal do trabalho de o Centro de Gases de Escape de Karlsruhe do KIT, cujo diretor científico, Dra. Maria Casapu, é coautor do estudo.