Uma interação exótica entre luz e metal pode ser aproveitada para tornar as reações químicas mais sustentáveis, mas a física por trás disso foi amplamente debatida no campo.

Agora, um estudo da Universidade de Michigan mostrou como um metal coletor de luz transfere energia para um metal catalítico, abrindo o caminho para melhores designs de catalisador.

Os catalisadores são mediadores de reações químicas:eles podem fazer as reações acontecerem em temperaturas mais baixas, reduzindo a energia necessária, e também podem fornecer uma vantagem para uma via de reação desejada, produzindo mais do produto químico alvo e menos resíduos.

Um novo tipo de catalisador pode ser feito dos chamados metais plasmônicos, que são bons em capturar a luz, mas eles não são excelentes para orientar as reações. Para melhorar sua eficácia, pesquisadores os têm temperado com materiais que são melhores catalisadores, melhorar as reações relacionadas à produção de combustível e produtos domésticos comuns, como pasta de dente, por exemplo.

"A dificuldade com os experimentos anteriores era que havia muitas superfícies expostas diferentes, então fica muito difícil interpretar seus resultados devido à complexidade das nanopartículas, "disse Umar Aslam, Estudante de doutorado da U-M em engenharia química,

Agora, Aslam e seus colegas do grupo de pesquisa da Suljo Linic, um professor de engenharia química e um pioneiro na catálise plasmônica, mostraram como a energia se move. Em vez de elétrons energéticos pulando do captador de luz para o catalisador, o metal plasmônico está agindo mais como uma antena de rádio, com o catalisador como receptor, Aslam disse.

Seu experimento, publicado no jornal Nature Nanotechnology , foi o primeiro a mostrar de forma convincente que esse mecanismo está funcionando.

"Descrevemos como as nanoestruturas plasmônicas movem a energia da luz para os locais cataliticamente ativos, "Linic disse." Em seguida, demonstramos como esse mecanismo pode ser explorado para projetar catalisadores muito eficientes e seletivos.

A seletividade é valorizada porque reduz as reações "colaterais" indesejadas que produzem resíduos.

Cobre, prata e ouro são conhecidos por suas propriedades plasmônicas, ou sua capacidade de capturar a energia da luz visível na forma de ondas em seus elétrons de superfície, chamados de plasmons de superfície.

No experimento, Aslam e Steven Chavez, também estudante de doutorado em engenharia química, produziu nanocubos de prata, cerca de 75 nanômetros (milionésimos de centímetro) de um lado. Eles então os revestiram com platina de apenas um nanômetro de espessura.

Metal tão fino é essencialmente transparente à luz, assim, a prata revestida continuou a transformar a luz em plasmons de superfície. A prata então canalizou a energia para o revestimento de platina através do mar de elétrons compartilhados entre eles. A platina produziu elétrons energéticos e buracos carregados positivamente - portadores de carga que poderiam então causar reações químicas em sua superfície.

A platina é amplamente considerada como "o imperador de todos os catalisadores, "o que torna este material uma escolha óbvia para pesquisadores interessados ​​em catálise plasmônica, Aslam disse.

No entanto, ninguém tinha sido capaz de fazer isso antes porque é muito difícil inserir uma fina película de platina na prata. Na maioria das condições, a prata tende a manchar, Aslam disse. Então, ele e Chávez ajustaram as condições de reação para que o revestimento de platina acontecesse muito mais rápido do que o embaciamento.

O grupo demonstrou que o catalisador quase dobrou a taxa na qual os contaminantes de monóxido de carbono em hidrogênio se transformaram em dióxido de carbono quando a luz estava acesa - em comparação com a reação no escuro, que depende apenas da platina. Esta conversão é importante na produção de hidrogênio a partir do metano, à medida que o monóxido de carbono sobra aumenta os catalisadores nas células de combustível de hidrogênio.

Eles mostraram que nem os nanocubos de prata sozinhos - nem as conchas cúbicas de platina que sobraram quando a prata foi removida por ácido - podiam funcionar como os cubos revestidos de platina. Ainda, Linic e Aslam alertam que esses novos catalisadores ainda não são os arautos de uma revolução na química industrial.

"Agora mesmo, a catálise plasmônica é um campo nascente, "Aslam disse." Custa mais preparar um catalisador como este em comparação com os catalisadores convencionais. "

Mas com os avanços contínuos na síntese de nanopartículas e ideias para melhorar ainda mais os ganhos de eficiência oferecidos pelos catalisadores plasmônicos, eles podem tornar a indústria química mais verde no futuro.

O estudo é intitulado "Controlando o fluxo de energia em nanoestruturas multimetálicas para catálise plasmônica."