Catalisadores são muitas vezes materiais sólidos cuja superfície entra em contato com gases ou líquidos, permitindo assim determinadas reações químicas. No entanto, isso significa que quaisquer átomos do catalisador que não estejam na superfície não servem para nenhum propósito real. Portanto, é importante produzir materiais extremamente porosos, com a maior área de superfície possível por grama de material catalisador.
Cientistas da TU Wien (Viena), juntamente com outros grupos de pesquisa, desenvolveram agora um novo método para produzir estruturas semelhantes a esponjas altamente ativas com porosidade na escala nanométrica. O avanço decisivo foi alcançado através de um processo de duas etapas:são usadas estruturas metal-orgânicas (MOFs), que já contêm muitos orifícios minúsculos. Então, um tipo diferente de buracos é criado – esses buracos artificiais servem como um caminho de alta velocidade para as moléculas. Isso possibilitou quebrar recordes anteriores de atividade na divisão da água em hidrogênio e oxigênio. Os resultados já foram publicados na revista Nature Communications .

Uma esponja na escala nanométrica

"As estruturas metal-orgânicas são uma classe interessante de materiais multifuncionais", diz Shaghayegh Naghdi, principal autor do estudo. "Eles são compostos de minúsculos aglomerados de metal-oxigênio que estão ligados com pequenas moléculas orgânicas em redes híbridas altamente porosas. Do lado de fora vemos um material sólido, no entanto, em nanoescala ele tem muito espaço aberto que oferece as maiores áreas de superfície específicas conhecidas. de até 7.000 m ² por grama."

Essas características recomendam os MOFs para uso na separação e armazenamento de gás, purificação de água e distribuição de drogas. Além disso, a proximidade em escala atômica de compostos moleculares com propriedades químicas, eletrônicas e ópticas distintas os torna também candidatos promissores para foto e eletrocatálise.

"Até agora, o maior problema era que o diâmetro dos poros intrínsecos é muito pequeno para uma rotação catalítica eficiente", diz o professor Dominik Eder. "Estamos falando de poros muito longos e extremamente pequenos de 0,5 a 1 nm de diâmetro, que é aproximadamente do tamanho de muitas moléculas pequenas. Leva algum tempo para as moléculas reagentes atingirem os sítios ativos dentro dos MOFs, o que diminui a velocidade catalítica reação consideravelmente."

Para superar essa limitação, o grupo desenvolveu um método que aproveita a flexibilidade estrutural dos MOFs. "Incorporamos dois ligantes orgânicos estruturalmente semelhantes, mas quimicamente diferentes, para criar estruturas de ligantes mistos", explica o Dr. Alexey Cherevan.

"Devido à estabilidade térmica diferente dos dois ligantes, conseguimos remover um dos ligantes de forma muito seletiva por meio de um processo chamado termólise", diz Shaghayegh Naghdi. Dessa forma, tipos adicionais de poros com diâmetro de até 10 nanômetros podem ser adicionados. Os nanoporos originais do material são complementados por poros "tipo fratura" interconectados, que podem atuar como uma conexão de alta velocidade para moléculas através do material.

Seis vezes mais reativo

O grupo do IMC se uniu a colegas da Universidade de Viena e Technion em Israel e usou uma infinidade de técnicas experimentais e teóricas de ponta para caracterizar completamente os novos materiais, que também foram testados para H₂ sub> evolução. A introdução de poros do tipo fratura pode aumentar a atividade catalítica em seis vezes, o que coloca esses MOFs no topo entre os melhores fotocatalisadores atualmente para produção de hidrogênio.

The greatest benefits introducing larger pores are expected in liquid-phase applications, particularly involving the adsorption, storage and conversion or larger molecules, such as for example in the fields of drug delivery and wastewater treatment.

This new process also provides additional benefits for photo/electrocatalytic applications:"The selective removal of ligands introduces unsaturated metal sites that can serve as additional catalytic reaction centers or adsorption sites. We expect that these sites will affect the reaction mechanism and thus the product selectivity of more complex catalytic processes," explains Prof. Eder. The team is currently testing this hypothesis with MOFs for the photocatalytic conversion of CO₂ into sustainable fuels and commodity chemicals. There is also an interest from the chemical industry in these catalysts for aiding a potential replacement of energy-demanding thermal catalytic processes with greener photocatalytic processes at low temperatures and ambient conditions.

The new method is highly versatile and can be applied to a variety of MOF structures and applications. "Since we currently know of about 99.000 synthesized MOFs and MOF-type structures," says Shaghayegh Naghdi, "there is actually a lot of work waiting for us in the future." + Explorar mais

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