Por anos, as nanopartículas de metal usadas em catalisadores estão ficando cada vez menores. Agora, uma equipe de pesquisa da TU Wien em Viena, A Áustria mostrou que tudo fica diferente repentinamente quando você chega ao menor tamanho possível:um único átomo.

Metais como ouro ou platina são freqüentemente usados ​​como catalisadores. Nos conversores catalíticos de veículos, por exemplo, nanopartículas de platina convertem monóxido de carbono venenoso em CO não tóxico ₂ . Como a platina e outros metais cataliticamente ativos são caros e raros, as nanopartículas envolvidas foram se tornando cada vez menores ao longo do tempo.

Catalisadores de átomo único são o ponto final lógico dessa redução:o metal não está mais presente como partículas, mas como átomos individuais ancorados na superfície de um material de suporte mais barato. Os átomos individuais não podem mais ser descritos usando as regras desenvolvidas a partir de peças maiores de metal, portanto, as regras usadas para prever quais metais serão bons catalisadores devem ser reformuladas - isso agora foi alcançado na TU Wien. Acontece que catalisadores de átomo único baseados em materiais muito mais baratos podem ser ainda mais eficazes. Esses resultados já foram publicados na revista Ciência .

Menor às vezes é melhor

Apenas os átomos externos da peça de metal podem desempenhar um papel nos processos químicos - afinal, os átomos internos nunca entram em contato com o meio ambiente. Para economizar material, portanto, é melhor usar pequenas partículas de metal em vez de grandes pedaços, de modo que uma proporção maior dos átomos reside na superfície. Se formos ao limite final e usarmos átomos individuais, cada átomo é quimicamente ativo. Na última década, o campo da catálise de "átomo único" cresceu dramaticamente, alcançando grande sucesso.

Modelo errado, solução certa

“As razões pelas quais alguns metais preciosos são bons catalisadores já foram pesquisadas na década de 1970, "diz o Prof. Gareth Parkinson do Instituto de Física Aplicada da TU Wien." Por exemplo, Gerhard Ertl recebeu o Prêmio Nobel de Química em 2007 por fornecer uma visão em escala atômica da catálise. "

Em um pedaço de metal, um elétron não pode mais ser atribuído a um átomo específico; os estados eletrônicos resultam da interação de muitos átomos. "Para átomos individuais, os modelos antigos não são mais aplicáveis ​​", diz Gareth Parkinson." Os átomos individuais não compartilham elétrons como um metal, então as bandas de elétrons, cuja energia foi a chave para explicar a catálise, simplesmente não existem neste caso. "

Gareth Parkinson e sua equipe têm investigado intensamente os mecanismos atômicos por trás dessa catálise de átomo único nos últimos anos. "Em muitos casos, os metais que consideramos bons catalisadores permanecem bons catalisadores na forma de átomos individuais", diz Gareth Parkinson. "Em ambos os casos, são os mesmos elétrons, os chamados elétrons d, que são responsáveis ​​por isso. "

Propriedades personalizadas por meio de superfícies personalizadas

Possibilidades totalmente novas surgem na catálise de um único átomo que não estão disponíveis ao usar partículas de metal comuns:"Dependendo da superfície na qual colocamos os átomos de metal e quais ligações atômicas eles formam, podemos mudar a reatividade dos átomos, "explica Parkinson.

Em alguns casos, metais particularmente caros como a platina não são mais necessariamente a melhor escolha. "Os átomos de níquel individuais mostram uma grande promessa para a oxidação do monóxido de carbono. Se entendermos os mecanismos atômicos da catálise de um único átomo, temos muito mais margem de manobra para influenciar os processos químicos, "diz Parkinson.

Oito metais diferentes foram precisamente analisados ​​desta forma na TU Wien - os resultados se encaixam perfeitamente com os modelos teóricos que agora foram desenvolvidos em colaboração com o Prof. Cesare Franchini na Universidade de Viena.

"Os catalisadores são muito importantes em muitas áreas, especialmente quando se trata de reações químicas que desempenham um papel importante nas tentativas de desenvolver uma economia de energia renovável, "enfatiza Gareth Parkinson." Nossa nova abordagem mostra que nem sempre precisa ser platina. "O fator decisivo é o ambiente local dos átomos - e se você escolher corretamente, você pode desenvolver melhores catalisadores e, ao mesmo tempo, economizar recursos e custos.