Nos últimos 20 anos, houve esforços para reduzir o uso de combustível fóssil na fabricação de plásticos e, de acordo com pesquisadores da Penn State, reações catalíticas eficientes e personalizáveis ​​– onde dois metais são combinados usando um catalisador ou molécula que permanece inalterada durante uma reação — são uma alternativa atraente.
Os pesquisadores descobriram uma maneira de tornar as reações catalíticas menos dispendiosas e mais econômicas, controlando a colocação de cada átomo na superfície do catalisador. Controlar ou personalizar os catalisadores reduz reações competitivas desnecessárias e isola uma reação previsível e bem-sucedida. Esses resultados foram publicados em Nature Chemistry .

“Isolando um metal ativo em um hospedeiro inerte e controlando com precisão a proporção exata dos metais, podemos obter um padrão direcionado dos dois átomos de metal”, disse Michael Janik, professor de engenharia química da Penn State e co-investigador principal do o estudo.

Os pesquisadores usaram paládio, que serviu como componente ativo do catalisador, e zinco, o hospedeiro inerte, para formar um intermetálico, um composto com dois ou mais tipos de átomos metálicos dispostos em um padrão repetitivo.

Os pesquisadores, liderados por Janik e co-investigador principal Robert Rioux, professor de engenharia química da Penn State Friedrich G. Helfferich, testaram diferentes quantidades de zinco e paládio e descobriram que diferentes proporções de zinco-paládio tinham reatividade catalítica muito diferentes.

Os pesquisadores ajustaram a proporção de paládio para zinco para formar superfícies que continham apenas monômeros e trímeros de paládio isolados, ou aglomerados de três átomos adjacentes. Eles demonstraram que tanto os monômeros quanto os trímeros de paládio podem hidrogenar – ou adicionar gás hidrogênio ao – acetileno e, assim, criar etileno, um gás necessário para processar plásticos.

Mas no processo, os trímeros de paládio também catalisaram uma reação de hidrogenação do etileno, uma consequência indesejada, que descartou o uso de trímeros. Monômeros de paládio isolados cercados por átomos de zinco, no entanto, foram uma configuração eficaz para hidrogenar seletivamente o acetileno.

Por causa de seu trabalho neste artigo, Janik, Rioux e seus colaboradores receberam uma doação de US$ 1,2 milhão em 2019 do Departamento de Energia dos EUA com o objetivo de estender a ciência a novas aplicações.

“Usaremos modelagem computacional e aprendizado de máquina para prever projetos de outros intermetálicos que organizarão certos números de átomos de metal em configurações únicas”, disse Janik. "Agora estamos tentando encontrar outras combinações de dois metais que nos permitam controlar o arranjo dos dois átomos de metal."

Janik, Rioux e colaboradores da Penn State e da Carnegie Mellon University agora estão usando abordagens de ciência de dados para descobrir outros catalisadores intermetálicos com locais de reação precisos e ajustáveis. Trabalhando com Zachary Ulissi, professor associado de engenharia química da CMU, eles codificaram um aplicativo da web disponível publicamente, conhecido como Nuclearity Zoo, que calcula o arranjo e a forma de qualquer combinação de metais ativos e inativos e lista todos os possíveis arranjos atômicos deles. O aplicativo usa abordagens da teoria dos grafos para categorizar formas e tamanhos de sites ativos.

"Por exemplo, existem 237 maneiras pelas quais o paládio pode ser combinado com o zinco para obter um par de átomos de paládio que são isolados", disse Janik, referindo-se aos resultados do aplicativo da web ao inserir os dois metais. "Então você pode baixar a estrutura dos átomos para cada um dos arranjos."

O grupo de pesquisa agora está usando as abordagens de aplicativos e ciência de dados para prever computacionalmente catalisadores ativos e seletivos para várias reações industrialmente importantes. + Explorar mais

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