Praticamente toda a produção de produtos químicos e combustíveis depende de catalisadores, que aceleram reações químicas sem serem consumidos no processo. A maioria dessas reações ocorre em grandes vasos de reatores e podem exigir altas temperaturas e pressões.

Os cientistas têm trabalhado em maneiras alternativas de conduzir essas reações com eletricidade, em vez de calor. Isso poderia potencialmente permitir barato, eficiente, manufatura distribuída alimentada por fontes renováveis ​​de eletricidade.

Mas os pesquisadores que se especializam nessas duas abordagens - calor versus eletricidade - tendem a trabalhar de forma independente, desenvolver diferentes tipos de catalisadores adaptados aos seus ambientes de reação específicos.

Uma nova linha de pesquisa visa mudar isso. Cientistas da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia relataram hoje que fizeram um novo catalisador que funciona com calor ou eletricidade. Com base em átomos de níquel, o catalisador acelera uma reação para transformar o dióxido de carbono em monóxido de carbono - a primeira etapa na fabricação de combustíveis e produtos químicos úteis a partir do CO ₂ .

Os resultados representam um passo importante para unificar a compreensão das reações catalíticas nessas duas condições muito diferentes com forças motrizes distintas em jogo, disse Thomas Jaramillo, professor da SLAC e Stanford e diretor do SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis, onde a pesquisa foi realizada.

"Esta é uma raridade em nosso campo, "disse ele." O fato de podermos reuni-los em uma estrutura para analisar o mesmo material é o que torna este trabalho especial, e abre um caminho totalmente novo para olhar para os catalisadores de uma maneira muito mais ampla. "

Os resultados também explicam como o novo catalisador conduz esta reação chave mais rápido quando usado em um reator eletroquímico, a equipe de pesquisa disse. Seu relatório apareceu na edição impressa de Angewandte Chemie esta semana.

Rumo a um futuro de química sustentável

Encontrando maneiras de transformar o CO ₂ em produtos químicos, combustíveis, e outros produtos, de metanol a plásticos e gás natural sintético, é um dos principais focos da pesquisa SUNCAT. Se feito em grande escala usando energia renovável, poderia criar incentivos de mercado para reciclar o gás de efeito estufa. Isso exigirá uma nova geração de catalisadores e processos para realizar essas transformações de maneira econômica e eficiente em escala industrial - e fazer essas descobertas exigirá novas ideias.

Em busca de novas direções, SUNCAT formou uma equipe de Ph.D. alunos envolvendo três grupos de pesquisa no departamento de engenharia química em Stanford:Sindhu Nathan do grupo da Professora Stacey Bent, cuja pesquisa se concentra em reações catalíticas movidas a calor, e David Koshy, que é co-orientado por Jaramillo e Professor Zhenan Bao e tem se concentrado em reações eletroquímicas.

O trabalho de Nathan tem como objetivo compreender as reações catalíticas impulsionadas pelo calor em um fundamental, nível atômico.

"As reações impulsionadas pelo calor são o que é comumente usado na indústria agora, "ela disse." E para algumas reações, um processo movido a calor seria um desafio de implementar porque pode exigir temperaturas e pressões muito altas para que a reação desejada prossiga. "

As reações de impulsão com eletricidade podem tornar algumas transformações mais eficientes, Koshy disse, "porque você não tem que esquentar as coisas, e você também pode tornar os reatores e outros componentes menores, mais barato e modular - além disso, é uma boa maneira de aproveitar as vantagens dos recursos renováveis. "

Os cientistas que estudam esses dois tipos de reações trabalham em paralelo e raramente interagem, portanto, eles não têm muitas oportunidades de obter ideias uns dos outros que possam ajudá-los a projetar catalisadores mais eficazes.

Mas se os dois campos pudessem funcionar no mesmo catalisador, isso estabeleceria uma base para unificar sua compreensão dos mecanismos de reação em ambos os ambientes, Disse Jaramillo. "Tínhamos razões teóricas para pensar que o mesmo catalisador funcionaria em ambos os conjuntos de condições de reação, " ele disse, "mas esta ideia não tinha sido testada."

Um novo caminho para a descoberta de catalisadores

Para seus experimentos, a equipe escolheu um catalisador Koshy recentemente sintetizado chamado NiPACN. As partes ativas do catalisador - os lugares onde ele agarra as moléculas que passam, faz com que eles reajam e libere os produtos - consistem em átomos de níquel individuais ligados a átomos de nitrogênio que estão espalhados por todo o material de carbono. A pesquisa de Koshy já havia determinado que o NiPACN pode conduzir certas reações eletroquímicas com alta eficiência. Ele poderia fazer o mesmo em condições térmicas?

Para responder a esta pergunta, a equipe levou o catalisador em pó para Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC. Eles trabalharam com o Distinguished Staff Scientist Simon Bare para desenvolver um minúsculo reator onde o catalisador poderia acelerar uma reação entre hidrogênio e dióxido de carbono em altas temperaturas e pressão. A configuração permitiu que eles direcionassem raios-X para a reação através de uma janela e observassem o prosseguimento da reação.

Em particular, eles queriam ver se as condições adversas dentro do reator mudavam o catalisador, uma vez que facilitou a reação entre hidrogênio e CO ₂ .

"As pessoas podem dizer, como você sabe que a estrutura atômica não mudou, tornando este um catalisador ligeiramente diferente do que testamos anteriormente em reações eletroquímicas?

Isso é exatamente o que eles descobriram quando examinaram o catalisador em detalhes atômicos antes e depois da reação com raios-X e microscopia eletrônica de transmissão.

Daqui para frente, a equipe de pesquisa escreveu, estudos como este serão essenciais para unificar o estudo de fenômenos catalíticos em ambientes de reação, que, em última análise, reforçará os esforços para descobrir novos catalisadores para transformar as indústrias química e de combustível.