Uma equipe de pesquisadores de energia liderada pela Universidade de Minnesota Twin Cities inventou um dispositivo que converte eletronicamente um metal para que ele se comporte como outro para ser usado como catalisador em reações químicas. O dispositivo, chamado de "condensador catalítico", é o primeiro a demonstrar que materiais alternativos que são modificados eletronicamente para fornecer novas propriedades podem produzir um processamento químico mais rápido e eficiente.
A invenção abre as portas para novas tecnologias catalíticas usando catalisadores de metais não preciosos para aplicações importantes, como armazenamento de energia renovável, fabricação de combustíveis renováveis ​​e fabricação de materiais sustentáveis.

A pesquisa é publicada on-line em JACS Au , onde foi selecionado como uma publicação Editor's Choice. A equipe também está trabalhando com o Escritório de Comercialização de Tecnologia da Universidade de Minnesota e possui uma patente provisória do dispositivo.

O processamento químico no último século contou com o uso de materiais específicos para promover a fabricação de produtos químicos e materiais que usamos em nossas vidas cotidianas. Muitos desses materiais, como metais preciosos rutênio, platina, ródio e paládio, têm propriedades de superfície eletrônicas únicas. Eles podem atuar como metais e óxidos metálicos, tornando-os críticos para o controle de reações químicas.

O público em geral provavelmente está mais familiarizado com esse conceito em relação ao aumento nos roubos de catalisadores em carros. Os conversores catalíticos são valiosos por causa do ródio e paládio dentro deles. Na verdade, o paládio pode ser mais caro que o ouro.

Esses materiais caros geralmente são escassos em todo o mundo e se tornaram uma grande barreira para o avanço da tecnologia.

Para desenvolver esse método para ajustar as propriedades catalíticas de materiais alternativos, os pesquisadores confiaram em seu conhecimento de como os elétrons se comportam nas superfícies. A equipe testou com sucesso uma teoria de que adicionar e remover elétrons de um material poderia transformar o óxido metálico em algo que imitasse as propriedades de outro.

"Os átomos realmente não querem alterar seu número de elétrons, mas inventamos o dispositivo condensador catalítico que nos permite ajustar o número de elétrons na superfície do catalisador", disse Paul Dauenhauer, MacArthur Fellow e professor de engenharia química e ciência dos materiais da Universidade de Minnesota, que liderou a equipe de pesquisa. “Isso abre uma oportunidade inteiramente nova para controlar a química e fazer com que materiais abundantes ajam como materiais preciosos”.

O dispositivo condensador catalítico usa uma combinação de filmes nanométricos para mover e estabilizar elétrons na superfície do catalisador. Este projeto tem o mecanismo único de combinar metais e óxidos metálicos com grafeno para permitir o fluxo rápido de elétrons com superfícies que são ajustáveis ​​para química.

"Usando várias tecnologias de filme fino, combinamos um filme de alumina em nanoescala feito de metal de alumínio abundante de baixo custo com grafeno, que pudemos ajustar para assumir as propriedades de outros materiais", disse Tzia Ming Onn, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Minnesota que fabricou e testou os condensadores catalíticos. "A capacidade substancial de ajustar as propriedades catalíticas e eletrônicas do catalisador superou nossas expectativas."

O projeto do condensador catalítico tem ampla utilidade como dispositivo de plataforma para uma variedade de aplicações de fabricação. Essa versatilidade vem de sua fabricação nanométrica que incorpora o grafeno como componente capacitador da camada superficial ativa. O poder do dispositivo para estabilizar elétrons (ou a ausência de elétrons chamados "buracos") é ajustável com composição variável de uma camada interna fortemente isolante. A camada ativa do dispositivo também pode incorporar qualquer material catalisador básico com aditivos adicionais, que podem ser ajustados para atingir as propriedades de materiais catalíticos caros.

"Vemos o condensador catalítico como uma tecnologia de plataforma que pode ser implementada em uma série de aplicações de fabricação", disse Dan Frisbie, professor e chefe do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota e membro da equipe de pesquisa. "As ideias principais do design e os novos componentes podem ser modificados para quase qualquer química que possamos imaginar."

A equipe planeja continuar sua pesquisa sobre condensadores catalíticos aplicando-os a metais preciosos para alguns dos problemas ambientais e de sustentabilidade mais importantes. Vários projetos paralelos já estão em andamento para armazenar eletricidade renovável como amônia, fabricar as principais moléculas em plásticos renováveis ​​e limpar fluxos de resíduos gasosos. + Explorar mais

Os futuros conversores catalíticos podem dar mais retorno pelo seu investimento