Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio desenvolveram uma maneira de adicionar nanofolhas únicas de óxido metálico misto a nanopartículas de ouro suportadas em sílica para aumentar sua atividade catalítica.



Convertendo monóxido de carbono em dióxido de carbono, eles descobriram que a temperatura necessária para a reação foi bastante reduzida, com melhorias significativas em relação aos métodos existentes para revestir estruturas de ouro/sílica. O método abre caminho para o desenvolvimento de uma ampla gama de novos catalisadores de alto desempenho. As descobertas foram publicadas na revista ACS Applied Materials &Interfaces .

As nanopartículas de ouro, partículas com menos de cinco nanômetros de diâmetro, são conhecidas por serem excelentes catalisadores para reações químicas, particularmente reações de oxidação, como a conversão de monóxido de carbono prejudicial em dióxido de carbono. O efeito é pronunciado quando eles são montados em óxidos metálicos como o óxido de cobalto, que têm maior probabilidade de sofrer a reação oposta, ou seja, óxidos redutíveis.

Infelizmente, nem todos os óxidos metálicos são redutíveis. Nanopartículas montadas em óxidos irredutíveis como a sílica, por exemplo, não constituem um catalisador eficaz. Dada a abundância de sílica no nosso planeta, uma forma de melhorar o desempenho de tais materiais impulsionaria enormemente a implantação industrial.

Isso levou os cientistas a procurar maneiras de modificar os catalisadores suportados para melhorar seu desempenho.

Agora, uma equipe liderada pelo professor associado Tamao Ishida, da Universidade Metropolitana de Tóquio, desenvolveu um método para depositar nanofolhas únicas de óxidos metálicos mistos (MMOs) usando hidróxidos duplos em camadas (LDHs).

Os LDHs consistem em nanofolhas de hidróxido metálico com alguns dos íons metálicos substituídos por íons metálicos com carga mais alta, dando à própria folha uma carga líquida positiva; folhas são unidas por íons negativos. É importante ressaltar que nanofolhas individuais podem ser esfoliadas e usadas separadamente.

Neste estudo, a equipe revestiu nanopartículas de ouro suportadas em sílica, uma estrutura com carga negativa, com nanofolhas de LDH com carga positiva consistindo de alumínio e uma variedade de outros metais, depois as expôs a altas temperaturas (calcinação) para formar uma nanocamada de MMO.

Observando seu novo catalisador, por meio de microscopia eletrônica de transmissão, descobriram que as nanopartículas eram revestidas por uma camada de menos de um nanômetro de espessura. Para testar seu desempenho, a equipe os utilizou para converter monóxido de carbono em dióxido de carbono.

Enquanto as nanopartículas de ouro em sílica tinham apenas uma taxa de conversão de cerca de 20% mesmo a 300° Celsius, o seu novo catalisador apresentou uma taxa de conversão de 50% a apenas 50° Celsius, uma redução de mais de 250° Celsius. Também foi descoberto que supera os métodos populares de "impregnação" para revestimento MMO.

Curiosamente, descobriu-se que camadas mais espessas de MMO levaram a um pior desempenho:o alto desempenho vem de ter um revestimento subnanométrico. Observando mais detalhadamente uma camada de cobalto-alumínio MMO, eles encontraram uma abundância de defeitos de oxigênio na camada; a equipe concluiu que a estreita sinergia entre essa camada cheia de defeitos e a superfície do ouro foi o que deu origem ao aumento da atividade.

O novo catalisador obteve excelente desempenho com níveis muito baixos de inclusão de cobalto, menos de 0,3% em peso. As descobertas abrem caminho para aplicação em uma ampla gama de outros materiais e em toda uma família de novos catalisadores de alto desempenho.

Mais informações: Kaho Okayama et al, Decoration of Gold and Platinum Nanoparticle Catalysts by 1 nm Thick Metal Oxide Overlayer and Its Effect on the CO Oxidation Activity, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14935
Informações do diário: Materiais Aplicados e Interfaces ACS

Fornecido pela Universidade Metropolitana de Tóquio