p A atual produção comercial de metanol por meio da hidrogenação do gás de efeito estufa CO ₂ depende de um catalisador que consiste em cobre, óxido de zinco e óxido de alumínio. Mesmo que este catalisador tenha sido usado por muitas décadas na indústria química, incógnitas ainda permanecem. Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Ciência de Interface do Fritz-Haber-Institute da Max Planck Society, o Ruhr-University Bochum, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), FZ Juelich e o Laboratório Nacional de Brookhaven já elucidaram a origem da atividade catalítica intrigante e as tendências de seletividade de nanocatalisadores complexos durante o trabalho. Em particular, eles lançaram luz sobre o papel do suporte de óxido e desvendaram como a produção de metanol pode ser influenciada por pequenas quantidades de óxido de zinco em contato próximo com o cobre. p O metanol pode servir como fonte de energia ou matéria-prima para a produção de outros produtos químicos, com mais de 60 milhões de toneladas métricas produzidas anualmente. O cobre tradicional, O catalisador de óxido de zinco e óxido de alumínio converte o gás de síntese, que é composto de H2, CO e CO ₂ , em metanol. Embora confiável, a eficiência deste catalisador específico muda ao longo do tempo, afetando assim sua longevidade, como é o caso de muitos catalisadores. "Nós, portanto, estudamos cobre e nanopartículas de cobre-zinco misturadas em vários suportes de óxido para entender como eles interagem e evoluem e desvendam o papel de cada constituinte do catalisador. Este conhecimento servirá para melhorar os catalisadores futuros." diz Núria Jiménez Divins, um dos principais autores do estudo.

p A equipe investigou o processo catalítico sob condições de reação realistas, reproduzindo aquelas aplicadas no processo industrial, significando altas pressões (20-60 bar) e temperaturas amenas. Isso exigia radiação de raios-X gerada pelo síncrotron. Simon R. Bare da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, quem contribuiu para os experimentos, explica:"As reações a tais temperaturas e altas pressões precisam ocorrer em um recipiente fechado que também deve ser transparente para os raios-X, o que torna as medições desafiadoras. O projeto especial do reator em combinação com a radiação síncrotron nos permitiu realizar as chamadas medições operando, onde assistimos ao vivo o que acontece com os componentes catalíticos nas condições de reação industrialmente relevantes. "Isso permitiu aos pesquisadores acompanhar não apenas o nascimento e a morte do catalisador, mas também seu desenvolvimento e transformações levando a mudanças em sua atividade e seletividade.

p Ao combinar os resultados da microscopia, espectroscopia e medições catalíticas, a equipe descobriu que alguns suportes tiveram uma influência mais positiva no desempenho do catalisador do que outros por causa de como eles interagiram com o óxido de zinco, que estava disponível de forma altamente diluída como parte das nanopartículas de Cu-Zn. Em suportes de óxido de silício, o óxido de zinco foi parcialmente reduzido a zinco metálico ou deu origem a uma liga de latão durante o processo catalítico, que com o tempo se mostrou prejudicial para a produção de metanol. Ao usar óxido de alumínio como suporte, o zinco interage fortemente com o suporte e é incorporado em sua rede, dando origem a uma mudança na seletividade da reação em relação ao éter dimetílico. "Este é um achado interessante", diz David Kordus, o outro autor principal do estudo e Ph.D. Aluno do Departamento de Ciência de Interface da FHI. "Nós sabemos agora que a escolha do material de suporte tem uma influência sobre como os componentes ativos do catalisador se comportam e se adaptam dinamicamente às condições de reação. Especialmente o estado de oxidação do zinco é criticamente influenciado por isso, que deve ser considerado para o projeto futuro do catalisador. "

p Este trabalho publicado em Nature Communications demonstra que o óxido de zinco não precisa estar disponível como parte do suporte, mas que ainda tem uma função benéfica, mesmo quando disponível em forma altamente diluída como parte do próprio catalisador de nanopartículas. Isso ajudará a elucidar melhor os catalisadores de síntese de metanol e, potencialmente, levar a uma melhoria do catalisador para este importante processo industrial.