p Os pesquisadores do PSI desenvolveram um novo método de tomografia com o qual podem medir propriedades químicas dentro de materiais catalisadores em 3D com extrema precisão e rapidez do que antes. O método tem aplicações para a ciência e a indústria. Os pesquisadores publicaram seus resultados hoje na revista. Avanços da Ciência . p O grupo de materiais de óxidos de fósforo de vanádio (VPOs) é amplamente utilizado como catalisador na indústria química. Os VPOs têm sido usados ​​na produção de anidrido maleico desde os anos 1970. O anidrido maleico, por sua vez, é o material de partida para a produção de diversos plásticos, cada vez mais incluindo biodegradáveis. Na industria, os materiais catalíticos são normalmente usados ​​por vários anos, porque eles desempenham um papel importante nas reações químicas, mas não são consumidos no processo. No entanto, um catalisador VPO muda com o tempo como resultado desse uso.

p Em um esforço colaborativo, cientistas de duas divisões de pesquisa do Instituto Paul Scherrer PSI - a Divisão de Ciência de Fótons e a Divisão de Energia e Meio Ambiente - juntamente com pesquisadores da ETH Zurich e da empresa suíça Clariant AG, agora investigaram em detalhes o processo de envelhecimento dos catalisadores VPO. No decorrer de sua pesquisa, eles também desenvolveram um novo método experimental.

p A Clariant AG é uma das empresas líderes mundiais em especialidades químicas. A Clariant forneceu à PSI duas amostras:primeiro, uma amostra de catalisador VPO não utilizado anteriormente; e em segundo lugar, uma amostra de catalisador VPO que foi usado em operações industriais por quatro anos. Há muito se sabia que os VPOs mudam ao longo dos anos de uso e exibem uma ligeira perda das propriedades desejadas. Até agora, Contudo, não ficou totalmente claro quais processos na nanoestrutura e na escala atômica foram responsáveis ​​pela diminuição observada no desempenho.

p Os pesquisadores do PSI investigaram essa questão com técnicas de caracterização de materiais de última geração. Para tornar a estrutura química das amostras visível em nanoescala, eles combinaram dois métodos:o primeiro foi um método específico de tomografia desenvolvido anteriormente no PSI, denominado tomografia computadorizada de raios-X pticográfica, que usa raios X da Swiss Light Source SLS e pode gerar imagens não destrutivas do interior da amostra em 3D e com resolução nanométrica. Para isso, em segundo lugar, os pesquisadores adicionaram um método de espectroscopia de transmissão local que revelou adicionalmente as propriedades químicas do material em cada elemento de volume dos tomogramas.

p "Basicamente, coletamos dados quadridimensionais, "explica Johannes Ihli, pesquisadora do PSI e uma das autoras do estudo. "Reconstruímos uma representação 3D de alta resolução de nossa amostra na qual os elementos de volume individuais - chamados de voxels - têm um comprimento de borda de apenas 26 nanômetros. Além disso, temos um espectro de transmissão de raios-X quantitativo para cada um desses voxels, cuja análise nos mostra a química local. "

p Esses espectros permitiram aos cientistas determinar para cada voxel algumas das quantidades químicas mais fundamentais. Isso incluiu a densidade de elétrons, a concentração de vanádio, e o grau de oxidação do vanádio. Uma vez que os catalisadores VPO examinados são um material denominado heterogêneo, essas quantidades mudam em várias escalas ao longo de seu volume. Isso, por sua vez, define ou limita o desempenho funcional do material.

p O procedimento passo a passo para obter esses dados foi medir a amostra para uma imagem de projeção 2D, em seguida, gire-o um pouco, medir novamente, e assim por diante. Este processo foi então repetido em várias outras energias. Com o método anterior, cerca de cinquenta mil imagens 2D individuais teriam sido necessárias, e estes teriam sido combinados em cerca de cem tomogramas. Para cada uma das duas amostras, isso significaria cerca de uma semana de puro tempo de medição.

p "As estações experimentais da SLS têm grande demanda e estão lotadas o ano todo, "explica Manuel Guizar-Sicairos, da mesma forma, um pesquisador PSI e o investigador principal deste estudo. "Portanto, não podemos nos dar ao luxo de realizar medições que demorem tanto." A coleta de dados precisava se tornar mais eficiente.

p Zirui Gao, autor principal do estudo, conseguiu isso na forma de um novo princípio de aquisição de dados e um algoritmo de reconstrução associado. "Para a reconstrução 3D de tomogramas, você precisa de imagens de muitos ângulos, "Gao explica." Mas nosso novo algoritmo consegue extrair a quantidade necessária de informações, mesmo se você aumentar a distância entre os ângulos em cerca de dez vezes, ou seja, se você tirar apenas cerca de um décimo das imagens 2D. "Desta forma, os pesquisadores conseguiram obter os dados necessários em apenas cerca de dois dias de medição, consequentemente economizando muito tempo e, portanto, também custos.

p Poros maiores e átomos ausentes

p Como esperado, o VPO fresco tinha muitos pequenos poros que foram uniformemente distribuídos no material. Esses poros são importantes porque fornecem a superfície na qual a catálise pode ocorrer. Em contraste, a estrutura da amostra de VPO que estava em uso por quatro anos mudou em nanoescala. Havia cavidades maiores e menos. O material entre eles mostrou-se maior, formas cristalinas alongadas.

p Mudanças também foram encontradas no nível molecular:ao longo do tempo, vazios, também chamados de buracos, apareceu na rede atômica. Anteriormente, sua existência era apenas suspeita. Com as informações químicas adquiridas em nanoescala, os pesquisadores agora podiam confirmar essa hipótese e também mostrar exatamente onde os vazios estavam localizados:no local de átomos específicos de vanádio que agora estavam faltando. "O fato de que o teor relativo de vanádio diminui com o tempo já era conhecido, "diz Gao." Mas agora fomos capazes de mostrar pela primeira vez em que ponto da estrutura cristalina esses átomos estão faltando. Junto com nossas outras descobertas, isso confirma a suposição anterior de que esses buracos na rede atômica podem servir como sítios ativos adicionais para o processo de catálise. "

p Isso também implica que o aumento dessas imperfeições é um efeito bem-vindo:elas aumentam a atividade catalítica e, portanto, neutralizam, pelo menos parcialmente, a perda de atividade causada pela diminuição do número de poros. "Nosso novo, resultados detalhados podem ajudar as empresas industriais a otimizar seus catalisadores e torná-los mais duráveis, "Gao diz.