p As reações eletroquímicas que são aceleradas usando catalisadores estão no cerne de muitos processos de fabricação e uso de combustíveis, produtos químicos, e materiais - incluindo o armazenamento de eletricidade de fontes de energia renováveis ​​em ligações químicas, uma capacidade importante para descarbonizar combustíveis de transporte. Agora, a pesquisa no MIT pode abrir a porta para maneiras de tornar certos catalisadores mais ativos, e, assim, aumentando a eficiência de tais processos. p Um novo processo de produção produziu catalisadores que aumentaram a eficiência das reações químicas em cinco vezes, potencialmente permitindo novos processos úteis em bioquímica, química orgânica, química ambiental, e eletroquímica. Os resultados são descritos hoje no jornal Catálise Natural , em um artigo de Yang Shao-Horn, um professor do MIT de engenharia mecânica e de ciência e engenharia de materiais, e membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE); Tao Wang, um pós-doutorado em RLE; Yirui Zhang, um aluno de pós-graduação no Departamento de Engenharia Mecânica; e cinco outros.

p O processo envolve a adição de uma camada do que é chamado de líquido iônico entre um catalisador de ouro ou platina e uma matéria-prima química. Os catalisadores produzidos com este método podem permitir uma conversão muito mais eficiente de combustível de hidrogênio em dispositivos de energia, como células de combustível, ou conversão mais eficiente de dióxido de carbono em combustíveis.

p "Há uma necessidade urgente de descarbonizar a forma como impulsionamos o transporte além dos veículos leves, como fazemos combustíveis, e como fazemos materiais e produtos químicos, "diz Shao-Horn, enfatizando o apelo urgente para reduzir as emissões de carbono destacado no último relatório do IPCC sobre mudança climática. Esta nova abordagem para aumentar a atividade catalítica pode fornecer um passo importante nessa direção, ela diz.

p O uso de hidrogênio em dispositivos eletroquímicos, como células de combustível, é uma abordagem promissora para campos de descarbonização, como aviação e veículos pesados, e o novo processo pode ajudar a tornar esses usos práticos. Atualmente, a reação de redução de oxigênio que alimenta essas células de combustível é limitada por sua ineficiência. Tentativas anteriores de melhorar essa eficiência se concentraram na escolha de diferentes materiais catalisadores ou na modificação de suas composições e estrutura de superfície.

p Nesta pesquisa, Contudo, em vez de modificar as superfícies sólidas, a equipe adicionou uma camada fina entre o catalisador e o eletrólito, o material ativo que participa da reação química. A camada de líquido iônico, eles encontraram, regula a atividade dos prótons que ajudam a aumentar a taxa das reações químicas que ocorrem na interface.

p Porque há uma grande variedade de líquidos iônicos para escolher, é possível "sintonizar" a atividade do próton e as taxas de reação para coincidir com a energia necessária para os processos que envolvem a transferência de prótons, que pode ser usado para fazer combustíveis e produtos químicos por meio de reações com o oxigênio.

p "A atividade de prótons e a barreira para a transferência de prótons são governadas pela camada de líquido iônico, e assim há uma grande sintonia em termos de atividade catalítica para reações envolvendo transferência de prótons e elétrons, "Shao-Horn diz. E o efeito é produzido por uma camada finíssima de líquido, apenas alguns nanômetros de espessura, acima da qual está uma camada muito mais espessa do líquido que vai sofrer a reação.

p "Acho que este conceito é novo e importante, "diz Wang, o primeiro autor do artigo, "porque as pessoas sabem que a atividade do próton é importante em muitas reações eletroquímicas, mas é muito difícil de estudar. "Isso porque, em um ambiente aquático, há tantas interações entre as moléculas de água vizinhas envolvidas que é muito difícil separar quais reações estão ocorrendo. Ao usar um líquido iônico, cujos íons podem formar apenas uma única ligação com o material intermediário, tornou-se possível estudar as reações em detalhes, usando espectroscopia infravermelha.

p Como resultado, Wang diz, "Nossa descoberta destaca o papel crítico que os eletrólitos interfaciais, em particular a ligação de hidrogênio intermolecular, pode atuar no aumento da atividade do processo eletrocatalítico. Ele também fornece insights fundamentais sobre os mecanismos de transferência de prótons em um nível de mecânica quântica, que pode ultrapassar as fronteiras de saber como prótons e elétrons interagem em interfaces catalíticas. "

p "O trabalho também é empolgante porque dá às pessoas um princípio de design de como elas podem ajustar os catalisadores, ", diz Zhang." Precisamos de algumas espécies bem em um 'ponto ideal' - não muito ativo ou muito inerte - para aumentar a taxa de reação. "

p Com algumas dessas técnicas, diz Reshma Rao, um recente doutorado do MIT e agora um pós-doutorado no Imperial College, Londres, que também é co-autor do artigo, "vemos um aumento de até cinco vezes na atividade. Acho que a parte mais interessante desta pesquisa é a maneira como ela abre uma dimensão totalmente nova na maneira como pensamos sobre a catálise." O campo havia atingido "uma espécie de obstáculo, " ela diz, em encontrar maneiras de projetar materiais melhores. Ao focar na camada de líquido em vez da superfície do material, "essa é uma maneira totalmente diferente de olhar para o problema, e abre uma dimensão totalmente nova, todo um novo eixo ao longo do qual podemos mudar as coisas e otimizar algumas dessas taxas de reação. "