Um novo avanço na catálise pode levar a enormes economias de energia

Engenheiros químicos da Universidade de Wisconsin-Madison fizeram um avanço na química computacional desenvolvendo um modelo de reações catalíticas no nível atômico. Esse novo entendimento pode levar a catalisadores mais eficientes, processos industriais ajustados e economia significativa de energia, já que o catalisador desempenha um papel crítico na produção de 90% dos produtos que encontramos em nossas vidas.

Em um grande avanço na química computacional, engenheiros químicos da Universidade de Wisconsin-Madison criaram um modelo que mostra como as reações catalíticas funcionam no nível atômico. Esse novo entendimento pode permitir que engenheiros e químicos projetem catalisadores aprimorados e melhorem os procedimentos industriais, resultando potencialmente em grande economia de energia, já que a catálise está envolvida na produção de 90% dos produtos que usamos todos os dias.

Lang Shaw

Lang Shaw. Crédito: Universidade de Wisconsin-Madison

Os catalisadores aceleram as reações químicas sem sofrer alterações. Eles desempenham um papel importante no processamento de produtos petrolíferos e na produção de uma ampla gama de itens, incluindo medicamentos, plásticos, aditivos alimentares, fertilizantes, combustíveis ecológicos e vários produtos químicos industriais.

Cientistas e engenheiros passaram décadas ajustando reações catalíticas – mas como atualmente é impossível observar diretamente essas reações em temperaturas e pressões extremas frequentemente associadas à catálise em escala industrial, eles não sabiam exatamente o que estava acontecendo no nano e atômico escalas. Esta nova pesquisa ajuda a desvendar esse mistério com ramificações potencialmente enormes para a indústria.

Na verdade, apenas três reações catalíticas – a reforma de vapor e metano para produzir hidrogênio, a síntese de amônia para produzir fertilizante e a síntese de metanol – usam quase 10% da energia mundial.

diz Manos Mavrikakis, professor de engenharia química e biológica em Madison, que liderou a pesquisa. “Ao reduzir a energia necessária para executar todos esses processos, você também reduz o impacto no meio ambiente.”

Mavrikakis e os pesquisadores de pós-doutorado Lang Xu e Konstantinos G. Papanicolaou, juntamente com a estudante de pós-graduação Lisa G, publicam notícias de seu progresso na edição de 7 de abril de 2023 da revista ciências.

Manu Mavrikakis

Manu Mavrikakis. Crédito: Universidade de Wisconsin-Madison

Em sua pesquisa, os engenheiros da Universidade de Washington Madison desenvolveram e usaram técnicas de modelagem robustas para simular reações catalíticas no nível atômico. Neste estudo, eles analisaram reações envolvendo catalisadores de metais de transição na forma de nanopartículas, que incluem elementos como platina, paládio, ródio, cobre, níquel e outros importantes para a indústria e a energia verde.

De acordo com o atual modelo de superfície sólida de catálise, os átomos compactados dos catalisadores de metais de transição fornecem uma superfície bidimensional à qual os reagentes químicos aderem e participam das reações. Quando pressão, calor ou eletricidade suficientes são aplicados, as ligações entre os átomos nos reagentes químicos se rompem, permitindo que os fragmentos se recombinem em novos produtos químicos.

“A suposição predominante é que esses átomos de metal estão fortemente ligados entre si e simplesmente fornecem ‘pontos de aterrissagem’ para os reagentes. O que todos presumiram foi que as ligações metal-metálico permanecem intactas durante as reações que catalisam”, diz Mavrikakis. “Então aqui, pela primeira vez, fizemos a pergunta: “Poderia a energia que quebra as ligações nos reagentes ser da mesma magnitude que a energia necessária para quebrar as ligações dentro do catalisador?”

De acordo com a modelagem de Mavrikakis, a resposta é sim. A energia fornecida para muitos dos processos catalíticos é suficiente para quebrar as ligações e permitir que átomos de metal simples (conhecidos como adatoms) se separem e comecem a viajar na superfície do catalisador. Esses adatoms coalescem em aglomerados, que atuam como locais no catalisador onde as reações químicas podem ocorrer muito mais facilmente do que a superfície sólida original do catalisador.

Usando uma combinação de cálculos especiais, a equipe analisou as interações industrialmente importantes de oito catalisadores de metais de transição e 18 reagentes, determinando os níveis de energia e temperaturas que provavelmente formariam esses pequenos aglomerados de metais, bem como o número de átomos em cada grupo, que também pode influenciar Great nas taxas de reação.

Seus colaboradores experimentais na Universidade da Califórnia, Berkeley, usaram microscopia atômica de tunelamento para examinar a adsorção de monóxido de carbono em níquel (111), uma forma cristalina estável de níquel útil em catálise. Seus experimentos confirmaram que os modelos que mostraram vários defeitos na estrutura do catalisador também podem afetar a dissociação dos átomos de um único metal, bem como a formação dos locais de reação.

Mavrikakis diz que a nova estrutura desafia os fundamentos de como os pesquisadores entendem a catálise e como ela ocorre. Também pode se aplicar a outros catalisadores não metálicos, que ele investigará em trabalhos futuros. Também é relevante para entender outros fenômenos importantes, incluindo erosão e tribologia, ou a interação de superfícies móveis.

“Estamos revisitando algumas suposições muito bem estabelecidas para entender como os catalisadores funcionam e, de forma mais geral, como as moléculas interagem com os sólidos”, diz Mavrikakis.

Referência: “Formation of Active Sites on Transition Metals Through Reaction-Triggered Migration of Surface Atoms” por Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A. Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 6 de abril de 2023 Disponível aqui. ciências.
DOI: 10.1126/science.add0089

Os autores agradecem o apoio do Departamento de Energia dos EUA, Ciências Básicas de Energia, Departamento de Ciências Químicas e Programa de Ciência de Catálise, Grant DE-FG02-05ER15731; Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Science and Engineering, U.S. Department of Energy sob o Contrato No. DE-AC02-05CH11231, pelo Programa de Estrutura e Dinâmica de Interfaces de Materiais (FWP KC31SM).

Mavrikakis agradece o apoio financeiro do Miller Institute na UC Berkeley através da Miller Visiting Professorship no Departamento de Química.

A equipe também usou o National Energy Research Scientific Computing Center, um DOE Office of Science User Facility apoiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos.

Parte do trabalho computacional foi realizado usando recursos de supercomputação no Center for Nanomaterials, um escritório do DOE da Science User Facility localizado no Argonne National Laboratory, com o apoio do contrato DOE DE-AC02-06CH11357.

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