Pela primeira vez, pesquisadores da TU Wien observaram com sucesso o princípio de funcionamento dos chamados “promotores” em uma reação catalítica em tempo real. Estes promotores desempenham um papel importante na tecnologia, mas até agora há apenas uma compreensão limitada de como funcionam.



Os catalisadores são essenciais para inúmeras tecnologias químicas, desde a purificação de gases de escape até a produção de produtos químicos valiosos e transportadores de energia. Freqüentemente, pequenos vestígios de substâncias adicionais são usados ​​junto com os catalisadores para torná-los altamente eficazes. Estas substâncias são referidas como “promotores”. Embora desempenhem um papel crucial na tecnologia, eles têm sido notoriamente difíceis de estudar.

Na maioria dos casos, determinar qual quantidade de promotores tem quais efeitos sobre um catalisador tem sido um processo de tentativa e erro. No entanto, pesquisadores da TU Wien conseguiram observar diretamente o papel dos promotores do lantânio na oxidação do hidrogênio.

Usando métodos de microscopia de alta tecnologia, eles visualizaram o papel dos átomos de La individuais. O estudo revelou que duas áreas superficiais do catalisador atuam como marca-passos, semelhantes aos maestros de uma orquestra. O promotor desempenha um papel vital na sua interação, controlando os marcapassos. Os resultados deste estudo foram agora publicados na revista Nature Communications .

Assistindo a reação ao vivo

“Muitos processos químicos usam catalisadores na forma de minúsculas nanopartículas”, diz o Prof. Günther Rupprechter, do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. Embora o desempenho dos catalisadores possa ser facilmente determinado através da análise de produtos, insights microscópicos não podem ser obtidos seguindo esta abordagem.

Isso mudou agora. Ao longo de vários anos, Günther Rupprechter e sua equipe desenvolveram métodos sofisticados que permitem observar diretamente nanopartículas individuais durante uma reação química. Isto permite ver como a atividade muda em diferentes locais destas nanopartículas durante o curso da reação.

“Usamos nanopontas de ródio que se comportam como nanopartículas”, diz Günther Rupprechter. "Eles podem servir como catalisadores, por exemplo, quando o hidrogênio e o oxigênio são combinados para formar moléculas de água - a reação que estamos examinando em detalhes."

Oscilando entre 'ativo' e 'inativo'

Nos últimos anos, a equipe da TU Wien já demonstrou que diferentes regiões das superfícies de nanopartículas apresentam comportamentos diferentes:elas oscilam entre um estado ativo e um estado inativo. Às vezes, a reação química desejada ocorre em determinados locais, enquanto outras vezes não.

Usando microscópios dedicados, foi demonstrado que várias oscilações ocorrem em cada nanopartícula em paralelo e todas influenciam umas às outras. Certas regiões da superfície das nanopartículas, muitas vezes com apenas alguns diâmetros de átomo de largura, desempenham um papel mais significativo do que outras:atuam como "marca-passos" altamente eficientes, controlando até mesmo as oscilações químicas de outras regiões.

Os promotores podem agora interferir no comportamento do marcapasso, e é exatamente isso que os métodos desenvolvidos na TU Wien permitiram aos pesquisadores investigar. Quando o ródio é usado como catalisador, o lantânio pode servir como promotor de reações catalíticas. Átomos individuais de lantânio foram colocados na minúscula superfície de uma nanopartícula de ródio. A mesma partícula foi investigada tanto na presença como na ausência do promotor. Esta abordagem revelou em detalhes o efeito específico dos átomos individuais de lantânio no progresso da reação química.

O lantânio muda tudo

Maximilian Raab, Johannes Zeininger e Carla Weigl realizaram os experimentos. “A diferença é enorme”, diz Maximilian Raab. "Um átomo de lantânio pode ligar-se ao oxigênio e isso altera a dinâmica da reação catalítica." A pequena quantidade de lantânio altera o acoplamento entre as diferentes áreas da nanopartícula.

“O lantânio pode desativar seletivamente certos marcapassos”, explica Johannes Zeininger. “Imagine uma orquestra com dois maestros – ouviríamos músicas bastante complexas. O promotor garante que resta apenas um marca-passo, tornando a situação mais simples e ordenada”.

Além das medições, a equipe, apoiada por Alexander Genest e Yuri Suchorski, desenvolveu um modelo matemático para simular o acoplamento entre as áreas individuais da nanopartícula. Esta abordagem oferece uma forma mais poderosa de descrever a catálise química do que antes:não apenas com base na entrada e na saída, mas num modelo complexo que considera como diferentes áreas do catalisador alternam entre atividade e inatividade e, controladas por promotores, influenciam-se mutuamente. .

Mais informações: Maximilian Raab et al, marcapassos de reação modulada de lantânio em uma única nanopartícula catalítica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43026-3
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Viena