Os catalisadores são indispensáveis ​​para muitas tecnologias. Para melhorar ainda mais os catalisadores heterogêneos, é necessário analisar os processos complexos em suas superfícies, onde os sites ativos estão localizados. Cientistas do Karlsruhe Institute of Technology (KIT), junto com colegas da Espanha e Argentina, alcançaram um progresso decisivo:conforme relatado em Cartas de revisão física , eles usam métodos de cálculo com os chamados funcionais híbridos para a interpretação confiável de dados experimentais.

Muitas tecnologias importantes, como processos para conversão de energia, redução de emissão, ou a produção de produtos químicos, trabalhe apenas com catalisadores adequados. Por esta razão, materiais altamente eficientes para catálise heterogênea estão ganhando importância. Na catálise heterogênea, o material atuando como um catalisador e as substâncias reagentes existem em diferentes fases como um sólido ou gás, por exemplo. As composições de materiais podem ser determinadas de forma confiável por vários métodos. Processos que ocorrem na superfície do catalisador, Contudo, pode ser detectado por quase nenhum método de análise. "Mas são esses processos químicos altamente complexos na superfície mais externa do catalisador que são de importância decisiva, "diz o professor Christof Wöll, Chefe do Instituto de Interfaces Funcionais (IFG) do KIT. "Lá, os sites ativos estão localizados, onde ocorre a reação catalisada. "

Exame preciso da superfície de catalisadores de pó

Entre os catalisadores heterogêneos mais importantes estão os óxidos de cério, isto é, compostos de cério de metal de terras raras com oxigênio. Eles existem na forma de pó e consistem em nanopartículas de estrutura controlada. A forma das nanopartículas influencia consideravelmente a reatividade do catalisador. Para estudar os processos na superfície de tais catalisadores em pó, pesquisadores recentemente começaram a usar moléculas de sonda, como moléculas de monóxido de carbono, que se ligam às nanopartículas. Essas sondas são então medidas por espectroscopia de absorção de reflexão de infravermelho (IRRAS). A radiação infravermelha faz com que as moléculas vibrem. A partir das frequências de vibração das moléculas da sonda, informações detalhadas podem ser obtidas sobre o tipo e composição dos sítios catalíticos. Até aqui, Contudo, a interpretação dos dados experimentais IRRAS tem sido muito difícil, porque os catalisadores em pó tecnologicamente relevantes têm muitas bandas de vibração, cuja exata alocação é desafiadora. Cálculos teóricos não ajudaram em nada, porque o desvio do experimento, também no caso de sistemas modelo, era tão grande que as bandas de vibração experimentalmente observadas não puderam ser alocadas com precisão.

Longo tempo de cálculo - alta precisão

Pesquisadores do Instituto de Interfaces Funcionais do KIT (IFG) e do Instituto de Pesquisa e Tecnologia de Catálise (IKFT), em cooperação com colegas da Espanha e Argentina coordenados pela Dra. M. Verónica Ganduglia-Pirovano do Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de Madrid, já identificamos e resolvemos um grande problema de análise teórica.

Conforme relatado em Cartas de revisão física , estudos teóricos sistemáticos e validação dos resultados usando sistemas modelo revelaram que os métodos teóricos usados ​​até agora apresentam algumas fragilidades fundamentais. Em geral, tais fraquezas podem ser observadas em cálculos usando a teoria do funcional da densidade (DFT), um método com o qual o estado básico da mecânica quântica de um sistema multi-elétron pode ser determinado com base na densidade dos elétrons. Os pesquisadores descobriram que as fraquezas podem ser superadas com os chamados funcionais híbridos que combinam DFT com o método Hartree-Fock, um método de aproximação em química quântica.

Isso torna os cálculos muito complexos, mas também altamente preciso. "Os tempos de cálculo exigidos por esses novos métodos são mais 100 vezes maiores do que os métodos convencionais, "diz Christof Wöll." Mas esta desvantagem é mais do que compensada pelo excelente acordo com os sistemas experimentais. "Usando catalisadores de óxido de cério em escala nanométrica, os pesquisadores demonstraram esse progresso que pode contribuir para tornar os catalisadores heterogêneos mais eficazes e duráveis.