Os catalisadores abrem caminhos para que as reações químicas se desenvolvam a taxas mais rápidas e eficientes, e o desenvolvimento de novas tecnologias catalíticas é uma parte crítica da transição para a energia verde.



O laboratório da pioneira em nanotecnologia da Rice University, Naomi Halas, descobriu uma abordagem transformadora para aproveitar o poder catalítico das nanopartículas de alumínio, recozendo-as em várias atmosferas de gás em altas temperaturas.

De acordo com um estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , Pesquisadores e colaboradores de Rice mostraram que a mudança na estrutura da camada de óxido que reveste as partículas modifica suas propriedades catalíticas, tornando-as uma ferramenta versátil que pode ser adaptada para atender às necessidades de diferentes contextos de uso, desde a produção de combustíveis sustentáveis ​​até a produção de água. reações baseadas.

"O alumínio é um metal abundante na terra, usado em muitas aplicações estruturais e tecnológicas", disse Aaron Bayles, ex-aluno de doutorado da Rice e autor principal do artigo. “Todo o alumínio é revestido com um óxido superficial, e até agora não sabíamos qual era a estrutura dessa camada de óxido nativo nas nanopartículas. Este tem sido um fator limitante que impede a aplicação generalizada de nanopartículas de alumínio.”

As nanopartículas de alumínio absorvem e espalham luz com notável eficiência devido à ressonância plasmônica de superfície, um fenômeno que descreve a oscilação coletiva de elétrons na superfície do metal em resposta à luz de comprimentos de onda específicos. Como outras nanopartículas plasmônicas, o núcleo do nanocristal de alumínio pode funcionar como uma antena óptica em nanoescala, tornando-o um catalisador promissor para reações baseadas em luz.

“Quase todos os produtos químicos, todos os plásticos que usamos no dia-a-dia, vieram de um processo catalítico, e muitos desses processos catalíticos dependem de metais preciosos como platina, ródio, rutênio e outros”, disse Bayles.

“Nosso objetivo final é revolucionar a catálise, tornando-a mais acessível, eficiente e ecologicamente correta”, disse Halas, que é professor universitário, o mais alto nível acadêmico de Rice. "Ao aproveitar o potencial da fotocatálise plasmônica, estamos abrindo caminho para um futuro mais brilhante e sustentável."

O grupo Halas tem desenvolvido nanopartículas de alumínio para reações de fotocatálise plasmônica, como decomposição de agentes perigosos de guerra química e produção eficiente de commodities químicas. A capacidade recentemente descoberta de modificar os óxidos superficiais das nanopartículas de alumínio aumenta ainda mais sua versatilidade para uso como catalisadores para converter eficientemente luz em energia química.

"Se você estiver fazendo uma reação catalítica, as moléculas da substância que você está procurando transformar irão interagir com a camada de óxido de alumínio em vez de com o núcleo metálico de alumínio, mas esse núcleo metálico de nanocristal é o único capaz de absorver luz de forma muito eficiente e convertê-lo em energia, enquanto a camada de óxido cumpre o papel de um reator, transferindo essa energia para as moléculas reagentes", disse Bayles.

As propriedades do revestimento de óxido das nanopartículas determinam como elas interagem com outras moléculas ou materiais. O estudo elucida a estrutura desta camada de óxido nativa em nanopartículas de alumínio e mostra que tratamentos térmicos simples – ou seja, aquecer as partículas a temperaturas de até 500 graus Celsius (932 Fahrenheit) em diferentes gases – podem alterar sua estrutura.

"A fase cristalina, a deformação intrapartícula e a densidade do defeito podem ser modificadas por esta abordagem direta", disse Bayles. “Inicialmente, estava convencido de que os tratamentos térmicos não faziam nada, mas os resultados me surpreenderam”.

Um dos efeitos dos tratamentos térmicos foi tornar as nanopartículas de alumínio melhores para facilitar a conversão do dióxido de carbono em monóxido de carbono e água.

"Mudar a camada de alumina desta maneira afeta suas propriedades catalíticas, particularmente para a redução do dióxido de carbono impulsionado pela luz, o que significa que as nanopartículas podem ser úteis para a produção de combustíveis sustentáveis", disse Bayles, que agora é pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Energia Renovável. .

Bayles acrescentou que a capacidade “de utilizar alumínio abundante em vez de metais preciosos poderia ter um enorme impacto no combate às alterações climáticas e abrir caminho para que outros materiais sejam melhorados de forma semelhante”.

"Foi relativamente fácil fazer esses tratamentos e obter grandes mudanças no comportamento catalítico, o que é surpreendente porque o óxido de alumínio é notoriamente não reativo; é muito estável", disse Bayles. “Então, para algo que é um pouco mais reativo, como óxido de titânio ou óxido de cobre, você poderá ver efeitos ainda maiores”.

Mais informações: Aaron Bayles et al, Adaptando o óxido de superfície de nanocristais de alumínio para fotocatalisadores plasmônicos de reator de antena totalmente baseados em alumínio, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2321852121
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Rice University