A "regra dos dez elétrons" fornece orientação para o projeto de catalisadores de liga de átomo único para reações químicas direcionadas.



Uma equipe colaborativa de quatro universidades descobriu uma regra muito simples para projetar catalisadores de liga de átomo único para reações químicas. A "regra dos dez elétrons" ajuda os cientistas a identificar rapidamente catalisadores promissores para seus experimentos. Em vez de extensos experimentos de tentativa e erro de simulações computacionais exigentes, a composição dos catalisadores pode ser proposta simplesmente observando a tabela periódica.

As ligas de átomo único são uma classe de catalisadores feitos de dois metais:alguns átomos de metal reativo, chamado dopante, são diluídos em um metal inerte (cobre, prata ou ouro). Esta tecnologia recente é extremamente eficiente na aceleração de reações químicas, mas os modelos tradicionais não explicam como funcionam.

A equipe, que trabalhou na Universidade de Cambridge, na University College London, na Universidade de Oxford e na Humboldt-University of Berlin, publicou sua pesquisa na Nature Chemistry. . Os cientistas fizeram simulações de computador para desvendar as leis subjacentes que controlam o funcionamento dos catalisadores de liga de átomo único.

A regra mostrou uma conexão simples:os produtos químicos ligam-se mais fortemente aos catalisadores de liga de átomo único quando o dopante está rodeado por dez elétrons. Isso significa que os cientistas que projetam experimentos podem agora simplesmente usar as colunas da tabela periódica para descobrir quais catalisadores terão as propriedades desejadas para suas reações.

Romain Réocreux, pesquisador de pós-doutorado no grupo do Prof. Angelos Michaelides, que liderou esta pesquisa, diz:"Quando você tem uma reação química difícil, você precisa de um catalisador com propriedades ideais. Por um lado, uma ligação forte o catalisador pode envenenar e parar de acelerar sua reação; por outro lado, um catalisador de ligação fraca pode simplesmente não fazer nada."

"Agora podemos identificar o catalisador ideal apenas olhando para uma coluna da tabela periódica. Isto é muito poderoso, pois a regra é simples e pode acelerar a descoberta de novos catalisadores para reações químicas particularmente difíceis."

O professor Stamatakis, professor de Química Inorgânica Computacional na Universidade de Oxford, que contribuiu para a pesquisa, diz:"Depois de uma década de intensa pesquisa em ligas de átomo único, agora temos uma estrutura teórica elegante, simples, mas poderosa, que explica a ligação tendências energéticas e nos permite fazer previsões sobre a atividade catalítica."

Usando esta regra, a equipe propôs um catalisador promissor para uma versão eletroquímica do processo Haber-Bosch, uma reação chave para a síntese de fertilizantes que utiliza o mesmo catalisador desde que foi descoberto pela primeira vez em 1909.

Julia Schumann, que iniciou o projeto na Universidade de Cambridge e agora está na Humboldt-Universität de Berlim, explica:"Muitos catalisadores usados ​​​​hoje na indústria química foram descobertos em laboratório usando métodos de tentativa e erro. Com uma melhor compreensão das propriedades dos materiais, podemos propor novos catalisadores com maior eficiência energética e redução de CO₂ emissões para processos industriais."

Mais informações: Regra de contagem de dez elétrons para a ligação de adsorbatos em catalisadores de liga de átomo único, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01424-6
Fornecido pela Universidade de Cambridge