A catálise é uma das principais tecnologias da indústria química e tem um impacto de amplo alcance em vários aspectos da nossa vida diária, incluindo a fabricação de plásticos, a síntese de medicamentos e a produção de fertilizantes e combustíveis. Estima-se que mais de 90% dos produtos químicos sejam hoje fabricados com o envolvimento da catálise em pelo menos uma etapa. A catálise é um processo complexo que depende do controle estrutural preciso de vários elementos no cruzamento de (in)estabilidades de fase.



Embora catalisadores estáveis ​​a longo prazo sejam indispensáveis ​​para promover reações eficientes e de alto desempenho, os reagentes sofrem grandes alterações químicas, levando à formação de produtos finais e desejados. Na catálise heterogênea, o catalisador e os reagentes existem em fases diferentes.

Entre os vários processos catalíticos heterogêneos, a reforma a seco do metano (DRM) tornou-se recentemente objeto de atenção acadêmica, pois converte dois gases de efeito estufa, o metano (CH₄ ) e dióxido de carbono (CO₂ ), em hidrogênio (H₂ ) e monóxido de carbono (CO). Esta mistura também é conhecida como gás de síntese e pode ser usada para reduzir a dependência de combustíveis fósseis através da acumulação consecutiva de hidrocarbonetos maiores através da química de Fischer-Tropsch.

Embora os catalisadores à base de níquel e cobalto, sendo de baixo custo e altamente disponíveis na Terra, tenham mostrado atividade promissora para DRM, projetar catalisadores de alto desempenho é muitas vezes desafiador, pois a conexão entre a dinâmica química, a formação das espécies de superfície ativa e sua geralmente faltam vias de reação. Este conhecimento só pode ser obtido através dos chamados experimentos operacionais, nos quais a estrutura e a função são investigadas simultaneamente.

Um esforço colaborativo de cientistas dos Departamentos de Química Inorgânica e Teoria do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck em Berlim forneceu insights fundamentais sobre os processos que ocorrem na superfície do catalisador e como isso modula o desempenho catalítico durante o DRM.

O estudo foi publicado na revista Nature Catalysis .

Em particular, a equipe estudou o papel de diferentes espécies de oxigênio em um catalisador de níquel durante DRM usando uma combinação de técnicas experimentais e de ciência computacional, incluindo microscopia eletrônica de varredura operando, espectroscopia de fotoelétrons de raios X de pressão ambiente próxima e visão computacional.

Eles destacaram o papel crítico do CO₂ dissociativo adsorção na regulação do teor de oxigênio do catalisador e CH₄ ativação. Além disso, eles descobriram a presença de três espécies de oxigênio metaestáveis ​​no catalisador:oxigênio de superfície atômica, oxigênio de subsuperfície e NiO a granel. . Curiosamente, estes exibiram diferentes propriedades catalíticas, e a sua interação e transformação deram origem a oscilações nos estados superficiais e na função catalítica.

Eles observaram que parte do oxigênio da superfície vazou para a massa do catalisador, reduzindo a disponibilidade do catalisador para CH4. ativação e favorecimento de CO₂ e difusão de O em vez disso.

A extensão do vazamento foi ainda comprovada por espectroscopia de raios X e microscopia eletrônica de transmissão, revelando a presença de oxigênio vários nanômetros abaixo da superfície dos catalisadores. Consequentemente, novos locais metálicos foram expostos, levando assim a um aumento na taxa de captação de oxigênio e a uma diminuição no H₂ /CO produto.

Por último, compreenderam que a co-alimentação de CO₂ é essencial para CH₄ conversão, provavelmente auxiliando sua ativação juntamente com a presença de espécies oxigenadas.

"Foi impressionante ver como a metaestabilidade do sistema Ni-O autoajusta o desempenho catalítico e que um elemento dos reagentes pode dirigir todo o processo, que depende de sua localização e de sua química. Esperamos que nossas descobertas possam dar novo impulso no ajuste da longevidade e seletividade na catálise", diz PD Dr. Thomas Lunkenbein, líder do projeto e coautor do estudo.

Compreender a metaestabilidade das superfícies dos catalisadores, juntamente com como controlá-los para estabilizar o estado ativo dinâmico, tem implicações importantes para o futuro da catálise. Em particular, fornece conhecimentos que podem ser transferidos para o nível industrial e para o projeto de reatores onde é favorecido um estado ativo com comprometimentos energéticos mínimos.

Isto poderia ser conseguido usando oxidantes mais potentes, como água (H₂ O) e óxido nitroso (N₂ O), ou trabalhando na redução do vazamento de oxigênio para o volume por meio de nanopartículas ou tecnologia de película fina. O desenvolvimento de catalisadores baseados em filmes finos feitos sob medida é o foco do CatLab, uma plataforma de pesquisa conjunta entre o FHI e o Centro Helmholtz de Berlim (HZB).

Mais informações: Luis Sandoval-Diaz et al, Espécies metaestáveis ​​de níquel-oxigênio modulam oscilações de taxa durante a reforma a seco do metano, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01090-4
Informações do diário: Catálise da Natureza

Fornecido por Sociedade Max Planck