Toda reação química deve superar uma barreira energética antes de ocorrer. As substâncias requerem uma entrada inicial de energia para iniciar uma reação. Às vezes essa barreira é tão pequena quanto um fósforo. Muitos processos industriais, no entanto, requerem muito mais energia, o que aumenta os custos.
Para tornar as reações mais fáceis e eficientes, os químicos usam substâncias chamadas catalisadores. Esses “ajudantes de reação” reduzem a energia necessária. Os catalisadores mais eficazes contêm frequentemente metais, incluindo metais raros e caros.
Catalisador inovador transforma CO2 Em metanol
Os pesquisadores da ETH Zurique fizeram progressos significativos no desenvolvimento do catalisador. O seu novo sistema reduz significativamente a energia necessária para produzir metanol (álcool) a partir de dióxido de carbono e hidrogénio.
A equipe também conseguiu um uso excepcionalmente eficiente do metal índio. Neste catalisador, cada átomo de índio individual atua como seu próprio sítio ativo. Esta é uma mudança significativa em relação às abordagens tradicionais, onde os metais são agrupados em partículas.
Outro benefício importante é o aumento da precisão. No passado, o desenvolvimento de catalisadores dependia frequentemente de tentativa e erro. Este novo design permite aos cientistas observar e compreender melhor as reações que ocorrem na superfície, abrindo a porta para um design de catalisador mais sofisticado e otimizado.
O papel do metanol na química sustentável
“O metanol é um precursor versátil para a produção de uma ampla gama de produtos químicos e materiais como plásticos – o canivete suíço da química, por assim dizer”, diz Javier Pérez-Ramirez, professor de engenharia de catálise na ETH Zurique.
O metanol é essencial para a produção de combustíveis e materiais e desempenha um papel cada vez maior nos esforços para abandonar os combustíveis fósseis. Se o hidrogénio e a energia utilizados no processo vierem de fontes renováveis, a produção de metanol pode tornar-se neutra para o clima.
Esta abordagem também oferece uma nova maneira de usar CO2. Em vez de liberá-lo na atmosfera, ele pode ser capturado e transformado em matéria-prima valiosa.
Catalisadores de átomo único maximizam a eficiência
“Nosso novo catalisador tem uma arquitetura de átomo único na qual átomos metálicos ativos isolados são ancorados à superfície de um material de suporte especialmente projetado”, explica Perez-Ramirez.
Nos catalisadores convencionais, os metais são geralmente agrupados em pequenas partículas que podem conter centenas ou mesmo milhares de átomos. Muitos desses átomos não estão diretamente envolvidos na reação, tornando o processo menos eficiente.
Catalisadores monoatômicos representam uma alternativa mais eficiente. Ao utilizar metais ao nível dos átomos individuais, os cientistas podem fazer melhor uso de elementos escassos e caros. Em alguns casos, torna até prático o uso de metais preciosos na indústria.
Trabalhar com átomos isolados também pode alterar o comportamento de um catalisador. “O índio já é usado neste catalisador há mais de uma década”, diz Perez-Ramirez. “Em nosso estudo, mostramos que átomos de índio isolados no óxido de háfnio permitem CO mais eficiente2baseado na síntese de metanol do que índio na forma de nanopartículas contendo um grande número de átomos.’
Catalisadores monoatômicos estáveis de design
Para colocar com precisão os átomos individuais de índio na superfície do óxido de háfnio, a equipe da ETH desenvolveu vários novos métodos de síntese em colaboração com outros grupos de pesquisa. Um fator importante foi o desenvolvimento de um material de suporte que mantém os átomos estáveis, permitindo-lhes permanecer reativos.
Um método envolve a queima dos materiais de partida em uma chama a uma temperatura de 2.000 a 3.000 °C, seguida de resfriamento rápido. Nestas condições, os átomos de índio permanecem na superfície e estão firmemente enraizados.
O catalisador resultante é altamente durável. Os pesquisadores mostraram que esses sistemas de átomo único podem suportar condições desafiadoras, incluindo altas temperaturas e pressões. Isto é importante porque a produção de metanol a partir de CO2 o hidrogênio normalmente requer temperaturas de até 300°C e pressões 50 vezes maiores que os níveis atmosféricos normais.
Melhor compreensão dos mecanismos de reação
Os catalisadores tradicionais feitos de nanopartículas são difíceis de estudar há muito tempo. Embora as reações ocorram em átomos superficiais, muitos dos sinais nas medições vêm de átomos dentro das partículas que não estão envolvidos na reação. Isso torna mais difícil interpretar o que realmente está acontecendo.
Com catalisadores monoatômicos, esse problema é reduzido. Como apenas estão presentes átomos isolados, os cientistas podem analisar os mecanismos de reação com muito menos interferência, levando a uma compreensão mais precisa.
Perez-Ramirez trabalhou para melhorar o CO2baseia-se na produção de metanol desde 2010 e trabalha em estreita colaboração com a indústria. Ele também detém várias patentes neste campo. Segundo ele, o sucesso deste novo catalisador foi possível graças à estreita cooperação da comunidade científica suíça: “O desenvolvimento do catalisador de metanol e a análise detalhada do mecanismo não teriam sido possíveis sem esta experiência interdisciplinar”.
