p Substituindo os metais caros que quebram os gases de escape em conversores catalíticos por mais baratos, materiais mais eficazes são uma prioridade para os cientistas, por razões econômicas e ambientais. Os catalisadores são necessários para realizar reações químicas que de outra forma não aconteceriam, como a conversão de gases poluentes do escapamento automotivo em compostos limpos que podem ser liberados no meio ambiente. Para melhorá-los, os pesquisadores precisam de uma compreensão mais profunda de exatamente como funcionam os catalisadores. p Agora, uma equipe da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia identificou exatamente quais pares de átomos em uma nanopartícula de paládio e platina - uma combinação comumente usada em conversores - são os mais ativos na decomposição desses gases.

p Eles também responderam a uma pergunta que intrigou os pesquisadores do catalisador:por que as partículas maiores do catalisador às vezes funcionam melhor do que as menores, quando você esperaria o oposto? A resposta tem a ver com a forma como as partículas mudam de forma durante o curso das reações, criando mais desses sites altamente ativos.

p Os resultados são um passo importante em direção a catalisadores de engenharia para melhor desempenho em processos industriais e controles de emissões, disse Matteo Cargnello, um professor assistente de engenharia química em Stanford que liderou a equipe de pesquisa. Seu relatório foi publicado em 17 de junho em Proceedings of the National Academy of Sciences .

p "O resultado mais empolgante deste trabalho foi identificar onde ocorre a reação catalítica - em quais sítios atômicos você pode realizar essa química que pega um gás poluente e o transforma em água inofensiva e dióxido de carbono, o que é extremamente importante e difícil de fazer, "Cargnello disse." Agora que sabemos onde estão os sites ativos, podemos criar catalisadores que funcionam melhor e usam ingredientes menos caros. "

p Os catalisadores são necessários para realizar reações químicas que de outra forma não aconteceriam, como a conversão de gases poluentes do escapamento automotivo em compostos limpos que podem ser liberados no meio ambiente. No conversor catalítico de um carro, nanopartículas de metais preciosos como paládio e platina são fixadas em uma superfície de cerâmica. À medida que os gases de emissão fluem por, átomos na superfície das nanopartículas se prendem às moléculas de gás que passam e as estimulam a reagir com o oxigênio para formar água, dióxido de carbono e outros produtos químicos menos prejudiciais. Uma única partícula catalisa bilhões de reações antes de se exaurir.

p Os conversores catalíticos de hoje são projetados para funcionar melhor em altas temperaturas, Cargnello disse, É por isso que as emissões de escapamento mais prejudiciais vêm de veículos que estão apenas começando a esquentar. Com mais motores sendo projetados para trabalhar em temperaturas mais baixas, há uma necessidade urgente de identificar novos catalisadores com melhor desempenho nessas temperaturas, bem como em navios e caminhões que provavelmente não mudarão para a operação elétrica tão cedo.

p Mas o que torna um catalisador mais ativo do que outro? A resposta foi evasiva.

p Neste estudo, a equipe de pesquisa analisou nanopartículas de catalisador feitas de platina e paládio a partir de duas perspectivas - teoria e experimento - para ver se eles poderiam identificar estruturas atômicas específicas em sua superfície que contribuem para uma atividade mais elevada.

p Partículas arredondadas com bordas dentadas

p Do lado da teoria, O cientista da equipe do SLAC, Frank Abild-Pedersen, e seu grupo de pesquisa no SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis criaram uma nova abordagem para modelar como a exposição a gases e vapor durante as reações químicas afeta a forma de uma nanopartícula catalítica e a estrutura atômica. Isso é computacionalmente muito difícil, Abild-Pedersen disse, e estudos anteriores haviam assumido que as partículas existiam no vácuo e nunca mudavam.

p Seu grupo criou maneiras novas e mais simples de modelar partículas de uma forma mais complexa, ambiente realista. Cálculos feitos pelos pesquisadores de pós-doutorado Tej Choksi e Verena Streibel sugeriram que, à medida que as reações prosseguem, as nanopartículas de oito lados tornam-se mais arredondadas, e seu apartamento, superfícies semelhantes a facetas tornam-se uma série de pequenos degraus irregulares.

p Ao criar e testar nanopartículas de diferentes tamanhos, cada um com uma proporção diferente de bordas dentadas para superfícies planas, a equipe esperava determinar exatamente qual configuração estrutural, e até mesmo quais átomos, mais contribuiu para a atividade catalítica das partículas.

p Uma ajudinha da água

p Angel Yang, um Ph.D. aluno do grupo de Cargnello, fez nanopartículas de tamanhos precisamente controlados, cada uma contendo uma mistura uniformemente distribuída de átomos de paládio e platina. Para fazer isso, ela teve que desenvolver um novo método para fazer as partículas maiores semeando-as ao redor das menores. Yang usou feixes de raios-X do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource do SLAC para confirmar a composição das nanopartículas que ela fez com a ajuda de Simon Bare do SLAC e sua equipe.

p Em seguida, Yang realizou experimentos em que nanopartículas de tamanhos diferentes foram usadas para catalisar uma reação que transforma o propeno, um dos hidrocarbonetos mais comuns presentes na exaustão, em dióxido de carbono e água.

p "A água aqui desempenhou um papel particularmente interessante e benéfico, "disse ela." Normalmente envenena, ou desativa, catalisadores. Mas aqui a exposição à água tornou as partículas mais arredondadas e abriu locais mais ativos. "

p Os resultados confirmaram que as partículas maiores eram mais ativas e que se tornavam mais arredondadas e irregulares durante as reações, como os estudos computacionais previram. As partículas mais ativas continham a maior proporção de uma configuração atômica particular - uma em que dois átomos, cada um rodeado por sete átomos vizinhos, formar pares para realizar as etapas de reação. Foram esses "7-7 pares" que permitiram que as partículas grandes funcionassem melhor do que as menores.

p Daqui para frente, Yang disse, ela espera descobrir como semear nanopartículas com materiais muito mais baratos para reduzir seu custo e reduzir o uso de metais preciosos raros.

p Interesse da indústria

p A pesquisa foi financiada pela BASF Corporation, um fabricante líder de tecnologia de controle de emissões, por meio da California Research Alliance, que coordena pesquisas entre cientistas da BASF e sete universidades da costa oeste, incluindo Stanford.

p "Este artigo aborda questões fundamentais sobre sites ativos, com a teoria e as perspectivas experimentais se unindo de uma maneira muito boa para explicar os fenômenos experimentais. Isso nunca foi feito antes, e é por isso que é bastante significativo, "disse Yuejin Li, um cientista sênior sênior da BASF que participou do estudo.

p "No fim, " ele disse, "queremos ter um modelo teórico que possa prever qual metal ou combinação de metais terá uma atividade ainda melhor do que nosso atual estado da arte."