Explorando o potencial dos catalisadores de átomo único
Crédito:Pixabay/CC0 Domínio Público Há um alto nível de interesse, até mesmo entusiasmo, entre químicos e cientistas de materiais sobre o potencial dos catalisadores de átomo único (SACs), mas seu desenvolvimento depende de ferramentas muito especializadas disponíveis apenas em síncrotrons como a Fonte de Luz Canadense (CLS) no Universidade de Saskatchewan (USask).
"Esta é uma área de pesquisa realmente interessante", disse o Dr. Peng Zhang, professor de química e engenharia biomédica na Universidade Dalhousie e usuário de longa data do CLS.
Catalisadores são nanopartículas revestidas com materiais – geralmente metais caros como platina, paládio e ouro – que aceleram as reações químicas. Uma desvantagem significativa dos catalisadores convencionais é que apenas uma pequena porcentagem do material catalítico é usada na reação química, tornando-os ineficientes e dispendiosos, explicou Zhang.
Com a crescente procura por energia limpa e sustentável, a utilização de SACs em sistemas energéticos pode ajudar o ambiente e poupar dinheiro. Os SACs têm benefícios como tornar as reações mais eficientes, usar metais menos raros e melhorar o desempenho de dispositivos como células de combustível e baterias. Eles também podem ajudar a armazenar energia renovável de fontes como o sol e o vento, tornando-a mais confiável.
No caso dos conversores catalíticos automotivos, que são projetados para converter as emissões de gases de escape em poluentes menos tóxicos, Zhang disse que menos da metade dos átomos de platina no catalisador estão disponíveis para a reação química necessária.
O objetivo da pesquisa do SAC é controlar a estrutura atômica da superfície dos catalisadores com átomos individuais do material catalítico em uma matriz de material mais barato, garantindo que todo o material esteja disponível para a reação. "Quando você projeta o catalisador para ter uma estrutura de átomo único, você pode melhorar significativamente sua atividade e desempenho na aplicação catalítica", disse Zhang.
Os desafios de trabalhar ao nível de um único átomo são significativos, admitiu ele, mas é aí que entra o CLS. Crédito:Canadian Light Source “Se você pensar em catalisadores de átomo único, eles são tão pequenos que você precisa de uma ferramenta de pesquisa especial para descobrir sua estrutura” para entender como os átomos estão organizados e quais átomos estão presentes. "Mesmo com o microscópio eletrônico mais poderoso, você provavelmente poderá ver um átomo individual, mas se estiver usando a tecnologia síncrotron, poderá obter uma resolução 100 vezes menor."
Zhang começou a usar instalações e técnicas síncrotron há mais de 20 anos em sua pesquisa de materiais como Ph.D. estudante da Universidade de Western Ontario. Quando o CLS foi inaugurado em 2004, “fiquei muito animado em saber que tínhamos nosso primeiro síncrotron canadense”, disse ele. Desde então, e como seu próprio Ph.D. supervisor, ele enviou seus alunos ao CLS e seu parceiro síncrotron - a Advanced Photon Source (Laboratório Nacional de Argonne, perto de Chicago) para conduzir experimentos SAC no local.
Do ponto de vista da pesquisa básica, Zhang disse que ainda existem dois grandes obstáculos no desenvolvimento de catalisadores de átomo único.
"Primeiro, nós realmente queremos entender melhor por que alguns catalisadores de átomo único são tão bons, tão ativos, mas às vezes eles podem não ser estáveis depois de algumas horas, então temos que projetar catalisadores de átomo único para serem ativos por um longo período (de tempo). Há muito trabalho a ser feito com esses catalisadores para torná-los mais poderosos e mais utilizáveis."
O outro desafio é aumentar o uso do SAC para uma escala comercial.
“Queremos colaborar com pessoas da indústria química para encontrar aplicações no mundo real”, disse Zhang. “No laboratório, você tem catálise em escala muito pequena, mas na indústria química é mil vezes maior”. A capacidade de ampliar uma reação catalítica de átomo único abre as portas para "todos os tipos de aplicações na indústria química".
Embora o potencial futuro seja entusiasmante, Zhang disse que a investigação fundamental do SAC seria impossível sem "acesso a instalações de classe mundial como o CLS e o APS".
A pesquisa foi publicada na revista Accounts of Chemical Research .
