p Os pesquisadores há muito se interessam em encontrar maneiras de usar hidrocarbonetos simples, produtos químicos feitos de um pequeno número de átomos de carbono e hidrogênio, para criar produtos químicos de valor agregado, aqueles usados ​​em combustíveis, plásticos, e outros materiais complexos. Metano, um importante componente do gás natural, é um desses produtos químicos que os cientistas gostariam de encontrar maneiras de usar de forma mais eficaz, uma vez que não existe atualmente nenhuma maneira ambientalmente correta e em grande escala de utilizar este potente gás de efeito estufa. p Um novo jornal em Ciência fornece uma compreensão atualizada de como adicionar grupos funcionais a hidrocarbonetos simples como o metano. Conduzido por alunos de pós-graduação Qiaomu Yang e Yusen Qiao, pós-doutorado Yu Heng Wang, e liderado pelos professores Patrick J. Walsh e Eric J. Schelter, este mecanismo novo e altamente detalhado é um passo crucial para projetar a próxima geração de catalisadores e encontrar abordagens escaláveis ​​para transformar gases de efeito estufa em produtos químicos de valor agregado.

p Em 2018, um artigo publicado em Ciência descreveu um mecanismo para adicionar grupos funcionais ao metano, etano, e outros hidrocarbonetos à temperatura ambiente usando um fotocatalisador à base de cério. A capacidade de usar metais abundantes em terra como o cério para criar produtos químicos de valor agregado era uma perspectiva empolgante, dizem os pesquisadores. Contudo, havia aspectos deste estudo que Schelter e seu grupo, que trabalham com cério há vários anos, queria entender mais profundamente.

p "Havia algumas coisas no artigo original que achamos interessantes, mas não concordamos necessariamente com as conclusões com base nos dados que eles relataram, "Schelter diz." Tínhamos uma ideia de que o que estava acontecendo em termos do mecanismo da reação, as etapas envolvidas, e o catalisador que funcionava para a química deles era diferente do que eles relatavam. "

p Para executar os experimentos e coletar os dados necessários para apoiar uma nova hipótese, Schelter e Walsh se candidataram a uma bolsa inicial do Instituto Vagelos de Ciência e Tecnologia de Energia da Universidade da Pensilvânia. Este financiamento apoiou uma nova colaboração entre Schelter e Walsh, permitindo que os pesquisadores comprassem equipamentos especializados e contratassem Yu Heng Wang, um ex-pós-doutorado em Penn que agora é professor assistente na National Tsinghua University em Taiwan.

p Graças ao apoio do Instituto Vagelos, os grupos Schelter e Walsh foram capazes de combinar seus conhecimentos complementares em química inorgânica e orgânica e conduzir experimentos para obter os dados necessários para propor um novo mecanismo. Isso incluiu a síntese de novos produtos químicos, estudando as taxas de reação, olhando como o fotocatalisador reagiu com diferentes isótopos, e análise computacional. Os pesquisadores também isolaram o intermediário de reação proposto e conseguiram obter sua estrutura cristalina, um desafio adicional, considerando que muitos dos compostos neste estudo eram altamente sensíveis ao ar e à umidade.

p "Estamos usando técnicas convencionais para entender melhor o sistema e fornecer um mecanismo claro, "Yang fala sobre a abordagem deles." Aqui, estamos usando principalmente a perspectiva inorgânica com diferentes técnicas para entender os mecanismos da reação orgânica. Então, é uma colaboração de perspectivas inorgânicas e orgânicas para entender o mecanismo. "

p Depois de mais de dois anos de trabalho, os pesquisadores foram capazes de propor um mecanismo revisado que destaca o papel essencial dos átomos de cloro. Embora o estudo anterior tenha implicado um intermediário à base de álcool, este último estudo descobriu que os radicais de cloro, átomos com elétrons desemparelhados que os tornam altamente reativos, formam uma "armadilha" química seletiva no fotocatalisador que pode dar origem a diferentes produtos.

p "Acho que a parte mais difícil foi entender por que a reatividade estava acontecendo, e tivemos que abordar isso com algum pensamento não convencional desses complexos intermediários, "diz Walsh." O comportamento dos intermediários segue um padrão que as pessoas atribuem a um radical baseado em oxigênio, mas na verdade é um radical de cloro que é a espécie ativa, ativar o álcool para fazer com que pareça um radical derivado do álcool. "

p Ter uma compreensão detalhada dessa reação química é um passo crucial para melhorar os catalisadores existentes e tornar essas e outras reações químicas mais eficientes. "Para desenvolver racionalmente a próxima geração de catalisadores, temos que entender o que a geração atual está fazendo, "diz Walsh." Com esta informação, nós e outros podemos agora desenvolver este mecanismo revisado e via de reação para impulsionar a ciência. "

p E embora haja mais trabalho a ser feito para encontrar um jejum, reação escalonável para transformação de metano, ter uma compreensão detalhada dos mecanismos que impulsionam essa reação específica é essencial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e ser capaz de usar metano para criar produtos de valor agregado, dizem os pesquisadores.

p "A química é mais elegante quando podemos refinar o conhecimento por meio de uma visão expandida, "diz Schelter." A contribuição aqui é obter o modelo certo e usá-lo para avançar para a próxima geração de catalisadores que será ainda melhor do que a atual. "