p Quando se trata de catalisadores de metal, o padrão de platina é, Nós vamos, platina! Contudo, por cerca de $ 2, 000 a onça, a platina é mais cara do que o ouro. O alto custo da matéria-prima apresenta grandes desafios para o uso futuro em larga escala da platina em células a combustível. Uma pesquisa no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) sugere que uma maneira possível de enfrentar esses desafios é pensar pequeno - realmente pequeno. p Um estudo liderado por Gabor Somorjai e Miquel Salmeron da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab mostrou que, sob alta pressão, comparável às pressões nas quais muitas tecnologias industriais operam, aglomerados de nanopartículas de platina podem potencialmente superar os cristais únicos de platina agora usados ​​em células de combustível e conversores catalíticos.

p "Descobrimos que a presença de moléculas de monóxido de carbono pode alterar reversivelmente as superfícies catalíticas de cristais únicos de platina, supostamente a configuração mais estável termodinamicamente para um catalisador de platina, "disse Somorjai, um dos maiores especialistas do mundo em química de superfície e catálise. "Isso indica que sob condições de alta pressão, os únicos cristais de platina não são tão estáveis ​​quanto os nanoclusters, que na verdade se tornam mais estabilizados à medida que as moléculas de monóxido de carbono são co-adsorvidas junto com os átomos de platina. "

p "Nossos resultados também demonstram que as limitações das técnicas tradicionais de ciência de superfície podem ser superadas com o uso de técnicas que operam em condições realistas, diz Salmeron, uma autoridade líder em imagens de superfície e desenvolvedor de imagens in situ e técnicas espectroscópicas usadas neste estudo. Ele também é o diretor da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab.

p Neste estudo, superfícies de platina de cristal único foram examinadas sob alta pressão. As superfícies foram estruturadas como uma série de terraços planos com cerca de seis átomos de largura separados por etapas atômicas. Tais características estruturais são comuns em catalisadores de metal e são considerados os sítios ativos onde ocorrem as reações catalíticas. Cristais únicos são usados ​​como modelos para esses recursos.

p Somorjai e Salmeron revestiram as superfícies de platina neste estudo com monóxido de carbono gasoso, um reagente envolvido em muitos processos catalíticos industriais importantes, incluindo o processo Fischer-Tropsch para a produção de hidrocarbonetos líquidos, o processo de oxidação em conversores catalíticos automotivos, e a degradação dos eletrodos de platina em células a combustível de hidrogênio. À medida que a cobertura de monóxido de carbono das superfícies de cristal de platina se aproximava de 100 por cento, os terraços começaram a se alargar - o resultado do aumento da repulsão lateral entre as moléculas. Quando a pressão da superfície atingiu um torr, os terraços se fragmentaram em aglomerados de tamanho nanométrico. Os terraços foram reformados após a remoção do gás monóxido de carbono.

p "Nossas observações da reestruturação da superfície em grande escala da platina escalonada destaca a forte conexão entre a cobertura das moléculas do reagente e a estrutura atômica da superfície do catalisador, "diz Somorjai." A capacidade de observar superfícies catalíticas nos níveis atômico e molecular sob condições reais de reação é a única maneira de tal fenômeno ser detectado. "

p Catalisadores - substâncias que aceleram as taxas de reações químicas sem serem alteradas quimicamente - são usados ​​para iniciar praticamente todos os processos de fabricação industrial que envolvem química. Os catalisadores de metal são os burros de carga, sendo a platina um dos melhores. Catalisadores industriais normalmente operam sob pressões que variam de militorr a atmosferas, e em temperaturas que variam de ambiente a centenas de graus Celsius. Contudo, experimentos de ciência de superfície têm sido tradicionalmente realizados em condições de alto vácuo e baixas temperaturas.

p "Tais condições provavelmente inibirão qualquer processo de reestruturação de superfície que exija a superação de barreiras de ativação até moderadas, "Somorjai diz.

p Salmeron diz, "A questão sem resposta hoje é qual é a geometria e a localização dos átomos do catalisador quando as superfícies são cobertas por densas camadas de moléculas, como ocorre durante uma reação química. "

p Somorjai e Salmeron têm colaborado por muitos anos no desenvolvimento de instrumentação e técnicas que lhes permitem fazer estudos de catálise em condições realistas. Eles agora têm à sua disposição microscópios de tunelamento de varredura de alta pressão (STM) exclusivos e uma linha de luz de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de pressão ambiente (AP-XPS) operando na Fonte de Luz Avançada do Laboratório de Berkeley, uma fonte importante de radiação síncrotron para pesquisas científicas.

p "Com esses dois recursos, podemos imaginar a estrutura atômica e identificar o estado químico dos átomos do catalisador e das moléculas do reagente adsorvido sob pressões e temperaturas do tipo industrial, "Salmeron diz.

p Imagens STM revelaram a formação de nanoclusters nas superfícies do cristal de platina, e os espectros AP-XPS revelaram uma mudança nas energias de ligação de elétrons do monóxido de carbono. Uma colaboração subsequente com Lin-Wang Wang, um teórico na Divisão de Ciências Computacionais do Berkeley Lab, explicou a mudança na estrutura como resultado do relaxamento da forte repulsão entre as moléculas de monóxido de carbono que surge de sua altíssima densidade na superfície quando em equilíbrio com elevadas pressões do gás.

p "No futuro, o uso desses nanoclusters de platina estáveis ​​como catalisadores de células de combustível pode ajudar a impulsionar o desempenho e reduzir custos, "Somorjai diz.

p O próximo passo para Somorjai e Salmeron e sua equipe de pesquisa será determinar se outros reagentes adsorvidos, como oxigênio ou hidrogênio, também resultam na criação de nanoclusters de platina. Eles também querem saber se os nanoclusters podem ser induzidos em outros catalisadores de metal também, como paládio, prata, cobre, ródio, ferro e cobalto.

p "Se este nanoclustering é um fenômeno geral, terá consequências importantes para o tipo de estruturas que os catalisadores devem ter sob alta pressão, condições de reação catalítica de alta temperatura, "Somorjai diz.