p Catalisadores de matriz sólida chamados catalisadores heterogêneos estão entre as aplicações industriais mais difundidas na redução de gases tóxicos, combustível não queimado, e material particulado na corrente de exaustão da câmara de combustão. Eles também são usados ​​na energia, químico, e setores farmacêuticos, ou seja, produção de biodiesel, polímeros, conversão de biomassa / resíduos em produtos valiosos, e muitos outros processos. Tudo graças aos seus sites ativos e superfície elevada. No entanto, sua alta eficiência é limitada pelo preço astronômico dos metais nobres, Então, substitutos de baixo custo com eficácia comparável parecem ser um santo graal para a indústria. Um artigo recente apresentado por cientistas do Instituto de Química Física, Academia Polonesa de Ciências liderada pelo dr. eng. Izabela S. Pieta enfrenta o desafio de apresentar um novo compósito bimetálico nanoestrutural para catálise. p C como catálise

p Os catalisadores estão por toda parte e têm um impacto tremendo nos processos químicos. Eles nos cercam até na natureza; por exemplo, as células requerem catalisadores naturais como enzimas para vários processos bioquímicos. O mesmo acontece no campo de conversão de energia, onde os catalisadores sólidos buscam processos tecnológicos. De acordo com os motores de combustão, metais nobres como a platina são colocados nos gases de combustão que fluem para fora da câmara de combustão. Uma vez que os gases tóxicos tocam a superfície dos catalisadores, eles se decompõem, dando CO aos produtos finais ₂ e H ₂ O. O segredo está nos sítios ativos sobre o material que influencia a energia de adsorção dos intermediários de reação e ativação dos estados de transição. O mecanismo final de quebra da ligação leva à formação de moléculas específicas. Torna os metais nobres estrelas do rock em aplicações industriais.

p Nas décadas recentes, a aplicação de catalisadores cresceu tremendamente, chegando a um ponto crítico para altos custos de metais preciosos necessários para combustível, farmacêutica, e produção de compostos químicos. Então, a catálise econômica com alta eficiência tornou-se um dos principais desafios para o progresso futuro em muitas tecnologias industriais. Com certeza, é quase impossível fornecer um material para atender a todos os requisitos industriais. Podemos certamente melhorar muito a atividade do catalisador e até mesmo a durabilidade por meio de modificações químicas de superfícies ativas para o processo dado, enquanto vamos começar do início - tamanho do catalisador. Os nanomateriais oferecem uma alta relação superfície-volume que aumenta sua atividade. No caso de metais nobres, manter o tamanho nanométrico torna esses materiais altamente ativos, fornecer forte ligação de reagentes e seletividade de catalisadores.

p Novos catalisadores no horizonte

p Recentemente, cientistas do Instituto de Físico-Química liderados pelo dr. Izabela S. Pieta descreveu catalisadores bimetálicos nanoestruturais imobilizados na superfície semicondutora para sua aplicação potencial em sistemas térmicos. foto-, e eletrocatálise. Esses sistemas já foram relatados para dar resultados extraordinários em processos dedicados a células de combustível, ou seja, eletrooxidação de metanol e etanol (I.S. Pieta et al. Catálise B aplicada:Ambiental , 2019, 244), produtos químicos verdes sustentáveis, e produção de combustíveis (I.S. Pieta et al. Catálise B aplicada:Ambiental , 2019, 244, e ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2020, 8 (18), e até mesmo a redução do dióxido de carbono para combustíveis gasosos e líquidos (I.S. Pieta et al. Materiais avançados Interfaces, 2021, 2001822). Vamos examiná-los mais de perto.

p Em nanoestruturas bimetálicas, dois metais, por exemplo., Pt-Au, estão unidos, onde o metal primário funciona como um papel hospedeiro, e o segundo é um convidado. Em outras palavras, é uma liga, enquanto em uma escala nanométrica, a distribuição de átomos particulares nas partículas tem um significado tremendo.

p Interessantemente, estruturas bimetálicas apresentam maior atividade catalítica em comparação com suas contrapartes monometálicas. Sua união pode diferir de uma mistura de dois metais diferentes, onde o segundo se distribui com bastante regularidade na matriz do primeiro, ou da estrutura núcleo-casca, onde o primeiro metal é recoberto pelo segundo. Outra opção são nanoestruturas com duas metades quimicamente diferentes (chamadas de nanopartículas de Janus) ou ligando duas nanopartículas quimicamente diferentes. Infelizmente, essas combinações de dois metais diferentes podem sofrer mudanças constantes em uma escala tão pequena devido à reorganização atômica.

p A composição e arranjo atômico em estruturas bimetálicas determinam seu desempenho catalítico. Os nanomateriais podem facilmente aglomerar ou alterar a estrutura da superfície devido à sua alta atividade de superfície, diminuindo sua eficácia de catálise. Além disso, sua superfície pode ser facilmente envenenada por meio-produtos de reações químicas, portanto, é difícil prever as mudanças que ocorrem nas superfícies bimetálicas que afetam a atividade do material.

p Então, por que não começar do início e criar uma plataforma que estabilize essas nanoestruturas? Uma vez resolvido, as nanopartículas seriam menos suscetíveis às mudanças de superfície. Os pesquisadores propuseram estabilizar nanopartículas bimetálicas no material condutor de eletricidade, como carbono ou nitreto de carbono. Então, sua superfície foi modificada com material polimérico à base de nitreto de carbono grafítico (g-C3N4) feito de subunidades de moléculas de triazina fundidas em triângulos planos que se parecem com a folha de grafeno. A superfície do sistema bimetálico foi investigada dentro de várias técnicas espectroscópicas.

p "O desenvolvimento e otimização de nanocatalisadores bimetálicos podem fornecer uma nova classe de materiais com superior, desempenho ajustável, estabilidade térmica, e custos reduzidos em comparação com os catalisadores comerciais atualmente disponíveis. Prevemos que, graças às propriedades únicas do material de suporte, ou seja, nitreto de carbono grafítico, esses catalisadores podem encontrar uma aplicação potencial em -termal / -eletro / e -fotocatálise. Contudo, antes que isso aconteça, é preciso entender como projetar o sistema bimetálico eficiente, como este sistema funciona sob condições operacionais, e por que a relação forma-estrutura-atividade é importante, “Reivindicações Izabela S.Pieta.

p g-C3N4 tem uma estrutura de heteroátomos rica que revela propriedades catalíticas. Graças à presença de vários grupos funcionais, pode facilmente hospedar em sua superfície sistemas bimetálicos como nobres Pt-Au Pt-Pd, ou nanopartículas de Cu-Ni à base de metais de transição. Tem sido considerado um material de apoio promissor na estabilização das nanopartículas bimetálicas e na inibição de seu envenenamento por produtos químicos. Além disso, oferece uma grande oportunidade para a coleta e conversão de energia solar em um produto valioso ou em outra forma de energia.

p "Inspirado pela natureza, a humanidade aprendeu que a luz solar é uma das fontes de energia mais poderosas da Terra. A conversão eficaz de luz em uma forma utilizável de energia é limitada principalmente devido à separação de carga não eficiente e arquitetura pobre de catalisadores de coleta de luz. Os pré-requisitos para ampla coleta espectral e alinhamento de nível de energia favorável para o processo acionado por luz pretendido devem ser acoplados com separação e coleta rápida de carga, competindo com sucesso com a recombinação de carga fotogerada. O problema mencionado acima pode ser superado pela seleção adequada de componentes fotoativos e a engenharia adequada de fotorreatores. Combinar as propriedades do material e a tecnologia microfluídica é uma solução perfeita que integra vários componentes e fornece uma solução simples para o processo catalítico contínuo em líquido-líquido dinâmico, líquido sólido, ou interfaces gás-sólido-líquido, "a primeira autora, Dra. Ewelina Kuna, afirma.

p A imobilização protege contra mudanças de superfície e aglomeração de nanopartículas e permite a aplicação escalonável em uma grande superfície.

p Observações dr. Izabela Pieta, "Os sistemas catalíticos bimetálicos são conhecidos por fornecer atividades catalíticas mais elevadas, e eles permitiram alcançar eficiências muito altas em muitos processos. Ainda estamos focados em sistemas mais complexos, onde a composição do catalisador e o arranjo da estrutura podem resultar em maior atividade, mas maior seletividade em relação aos produtos direcionados e melhor estabilidade do catalisador em relação ao envenenamento, durabilidade, e vida. Nossa pesquisa cobre uma compreensão fundamental das superfícies catalíticas e do desenvolvimento do mecanismo de reação em condições não isoladas. Esse conhecimento certamente resultará em um design inovador de catalisador, tanto na escala molecular (projeto de arquitetura do local ativo) quanto na escala do aplicativo (escala do reator industrial) via adaptação de vários locais ativos catalíticos e sua distribuição nas superfícies de trabalho. "

p Nanopartículas bimetálicas incorporadas na superfície de carbono modificada com g-C3N4 parecem ser uma plataforma universal em catálise, trazendo luz brilhante para os processos que precisam de novas soluções nanoestruturais. Graças a tais estudos focados na relação forma e estrutura-atividade em sistemas bimetálicos e sua imobilização na matriz escalável e econômica, estamos um passo mais perto de designs de catalisadores novos e sustentáveis ​​para a indústria.