A vida secreta dos catalisadores
Novas descobertas nas reacções químicas
Cientistas do Departamento de Ciências das Interfaces do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck, em colaboração com cientistas do Centro Helmholtz de Berlim, fizeram um avanço no domínio da electrocatálise. A sua última investigação, publicada na revista Nature Materials, esclarece a forma como os catalisadores podem permanecer em formas inesperadas durante o processo de redução de nitratos. O estudo, intitulado "Revealing Catalyst Restructuring and Composition During Nitrate Electroreduction through Correlated Operando Microscopy and Spectroscopy", oferece novas perspectivas que poderão abrir caminho a concepções de catalisadores mais eficientes.
© FHI
Compreender os catalisadores: A chave para melhores reacções químicas
Os catalisadores são substâncias que aceleram as reacções químicas sem serem consumidas. São cruciais em muitas aplicações industriais, desde a produção de combustível ao fabrico de produtos farmacêuticos. No entanto, compreender como é que estes catalisadores se comportam durante o seu trabalho sempre foi um desafio. Isto porque os catalisadores podem mudar a sua estrutura (tamanho e forma) e composição quando é aplicado um potencial elétrico, tal como um camaleão muda de cor para se adaptar a diferentes ambientes. Um pressuposto de longa data é que o catalisador, à semelhança do camaleão, muda rapidamente para o seu estado preferido (estado ativo) assim que o potencial elétrico é aplicado.
Uma abordagem multimodal para o estudo dos catalisadores
A equipa de investigação utilizou uma combinação única de técnicas avançadas para demonstrar que este pressuposto não é válido em determinadas condições. Em primeiro lugar, utilizaram um método chamado microscopia eletrónica de transmissão de células líquidas electroquímicas (EC-TEM) para observar os pré-catalisadores cúbicos de Cu2O em condições em que participavam na reação de redução do nitrato aqui utilizada para produzir amoníaco verde. Esta técnica permitiu-lhes ver como os catalisadores, particularmente os pré-catalisadores cúbicos de Cu2O, se alteravam durante a reação. Em seguida, utilizaram uma combinação de microscopia/espetroscopia de raios X e espetroscopia Raman para verificar se os pré-catalisadores se transformavam na fase metálica de Cu esperada durante a reação e se essa transformação ocorria de forma homogénea em todas as partículas de nanocatalisadores.
Conclusões importantes: O papel da cinética redox
Uma descoberta importante do estudo é o facto de os cubos de Cu2O não se converterem rapidamente para o estado metálico preferido e poderem permanecer como uma mistura de Cu metálico, óxido de Cu e hidróxido de Cu durante muito tempo durante a operação. A composição desta mistura e a forma dos catalisadores desenvolvidos dependem fortemente do potencial elétrico aplicado, do ambiente químico circundante e do tempo de reação.
Efeitos na seletividade do amoníaco
Um dos principais incentivos para a investigação da redução de nitratos é o potencial de reciclagem de nitratos residuais, convertendo-os novamente em amoníaco, um componente-chave dos fertilizantes para a produção de alimentos. Até agora, as nossas estratégias para otimizar este processo têm-se baseado na adoção pelos catalisadores das suas formas mais favoráveis durante a reação. Esta investigação abrirá caminho a novas abordagens para conceber pré-catalisadores à base de Cu que sejam mais capazes de produzir amoníaco.
Conclusão
O Dr. See Wee Chee, líder do grupo no Departamento de Ciências da Interface e autor correspondente do estudo, salienta: "É inesperado que obtenhamos diferentes fases durante a reação, especialmente quando partimos de uma única forma de um pré-catalisador de um único elemento. Mais importante ainda, este estado misto pode ser mantido durante muito tempo, o que oferece informações valiosas se quisermos conceber catalisadores mais eficientes". Esta investigação mostra também como técnicas avançadas de observação em tempo real, capazes de captar diferenças químicas locais, podem ajudar-nos a compreender a natureza complexa dos catalisadores em ação.
Beatriz Roldán, Diretora do Departamento de Ciência das Interfaces da FHI e autora correspondente, explicou: "Industrialmente, o NH3 é sintetizado através do processo de termocatálise Haber-Bosch em fase gasosa, que ocorre a temperaturas moderadas (450-550 °C) mas a alta pressão (150 bar) com um elevado consumo de H2 fóssil. O desafio que enfrentámos aqui foi o de encontrar um método alternativo para a síntese de NH3 com emissões de carbono reduzidas. Isto foi conseguido através da adoção de uma via electrocatalítica direta alimentada por eletricidade renovável."
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Publicação original
Aram Yoon, Lichen Bai, Fengli Yang, Federico Franco, Chao Zhan, Martina Rüscher, Janis Timoshenko, Christoph Pratsch, Stephan Werner, Hyo Sang Jeon, Mariana Cecilio de Oliveira Monteiro, See Wee Chee, Beatriz Roldan Cuenya; "Revealing catalyst restructuring and composition during nitrate electroreduction through correlated operando microscopy and spectroscopy"; Nature Materials, 2025-1-24
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