Em colaboração com pesquisadores nos Estados Unidos, China e Holanda, o Dr. Zhenhua Zeng da Davidson School of Chemical Engineering e o professor Jeffrey Greeley avançaram na pesquisa de catálise e no projeto de catalisadores por meio da exploração de sítios ativos.



Suas descobertas não apenas oferecem perspectivas valiosas sobre a reatividade catalítica anterior e estudos de sítios ativos, mas também prevêem o desenvolvimento de novos catalisadores com desempenho notavelmente aprimorado.

O uso de catalisadores heterogêneos em reações químicas é generalizado, entendendo-se que a alta atividade catalítica ocorre apenas em locais de superfície específicos. "A determinação da estrutura molecular dos sítios ativos catalíticos é um objetivo central e de longa data da ciência da catálise. A pesquisa atual identifica e classifica esses sítios ativos por meio de motivos de superfície distintos, como degraus e terraços.

"Essa categorização muitas vezes simplifica demais a complexidade da identificação de sítios ativos, o que pode levar a uma classificação incerta de sítios ativos e previsões incorretas de atividade catalítica. Assim, essa identificação incorreta dificulta oportunidades para o projeto de catalisadores", afirmou o professor Greeley.

Publicado em Natureza , o artigo "Reatividade específica do local de superfícies escalonadas de Pt impulsionadas pela liberação de tensão" revela uma solução para a categorização simplificada:reatividade específica do local atômico impulsionada pela liberação de tensão superficial, que muitas vezes foi esquecida no processo de classificação atual.

"Este estudo demonstra a existência de uma classe fundamentalmente nova de sítios ativos, composta por diversas estruturas de superfície acopladas por campos de tensão e deformação estendidos na superfície do catalisador, que podem levar a novos e excitantes catalisadores para células de combustível e dispositivos eletroquímicos relacionados", disse Greeley. .

Usando superfícies escalonadas de Pt (111) e a reação de redução de oxigênio (ORR) em células de combustível como exemplos, o artigo mostra que a liberação de tensão superficial produz campos de deformação não homogêneos, levando a estruturas eletrônicas distintas e reatividade para átomos de terraço com coordenação local idêntica.

Além disso, os átomos do terraço ao redor dos degraus podem sofrer um aprimoramento até 50 vezes maior do que os átomos no centro do terraço, fazendo com que algumas áreas do terraço experimentem maior ou menor atividade de ORR. Os pesquisadores concluíram que a capacidade de controlar a reatividade ORR através da alteração das larguras dos terraços ou da regulação do estresse externo abre novas portas para o projeto do catalisador.

"Nosso trabalho desafia a suposição convencional de reatividade uniforme entre sítios atômicos com ambientes locais idênticos, revelando reatividade distinta induzida até mesmo por pequenas imperfeições", afirmou Zeng.

"Este artigo fornece insights em escala atômica sobre locais ativos de superfícies escalonadas de Pt, focando particularmente em seu papel em células a combustível de hidrogênio. Este entendimento fundamental não apenas fornece insights convincentes sobre experimentos anteriores, mas também prevê novos catalisadores com desempenho significativamente melhorado."

As descobertas geradas por esta pesquisa permitem uma nova lente através da qual os pesquisadores visualizam os sítios atômicos cataliticamente ativos e os princípios que regem o projeto de catalisadores heterogêneos.

O colaborador, Professor Marc Koper da Universidade de Leiden, afirmou:"Este trabalho é um belo exemplo de como uma colaboração dedicada entre cálculos e experimentos de alta qualidade pode trazer uma visão única sobre um problema de longa data na eletrocatálise de superfície, ou seja, como e se a deformação superficial local pode influenciar a reatividade química, estou muito satisfeito por ter feito parte deste esforço colaborativo."

Mais informações: Guangdong Liu et al, Reatividade específica do local de superfícies escalonadas de Pt impulsionadas pela liberação de estresse, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07090-z
Fornecido pela Purdue University