A vida secreta dos catalisadores

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."