Utilizando ressonância magnética nuclear, os pesquisadores da ETH Zurique estudaram os ambientes atômicos de átomos de platina única em suportes sólidos, bem como sua orientação espacial. No futuro, esse método pode ser usado para otimizar a produção de catalisadores de átomos únicos.
A catálise – a aceleração de uma reação química adicionando uma substância específica – é extremamente importante na indústria e na vida cotidiana. Cerca de 80 % de todos os produtos químicos são produzidos com a ajuda de catálise, e tecnologias como catalisadores de escape ou células de combustível também se baseiam nesse princípio. Um catalisador particularmente eficaz e versátil é a platina. No entanto, porque a platina é um steel precioso muito raro e caro cuja produção causa muito CO2 Emissões, é importante usar o mínimo possível, maximizando sua eficiência.
Catalisadores com átomos únicos
Nos últimos anos, os cientistas tentaram desenvolver os chamados catalisadores de átomos únicos, nos quais cada átomo contribui para a reação química. Esses catalisadores são feitos depositando átomos de platina única na superfície de um materials de hospedeiro poroso, por exemplo, carbono dopado com átomos de nitrogênio. Os átomos de nitrogênio atuam como pontos de ancoragem nos quais os átomos de platina podem travar.
Uma equipe de pesquisadores liderados por Javier Pérez-Ramírez e Christophe Copéret no Departamento de Química e Ciências da Vida Aplicada de Eth Zurique, juntamente com colegas das universidades de Lyon e Aarhus, agora mostrou que esses catalisadores de um único atom são mais complexos do que pensamentos anteriores. Usando ressonância magnética nuclear, eles foram capazes de mostrar que os átomos individuais de platina em um catalisador podem ter ambientes atômicos muito diferentes, que influenciam sua ação catalítica. No futuro, essa descoberta tornará possível desenvolver materiais catalíticos mais eficientes. Os pesquisadores publicaram recentemente suas descobertas na revista científica Natureza.
Encontros casuais levam ao avanço
“Até agora, os átomos de platina individuais só podiam ser observados através da ‘lente’ de um microscópio eletrônico-que parece impressionante, mas não nos diz muito sobre suas propriedades catalíticas”, diz Pérez-Ramírez. Juntamente com Copéret, ele pensou em como alguém poderia caracterizar os átomos individuais de platina com mais precisão. A colaboração começou com um encontro informal durante uma reunião no âmbito do Programa de Catálise do NCCR.
Após a reunião, os dois pesquisadores desenvolveram a idéia de experimentar a ressonância magnética nuclear. Esse método, no qual a ressonância magnética em um hospital se baseia e que normalmente é usada para investigar moléculas em laboratórios, os rotações dos núcleos atômicos em um forte campo magnético estático reagem a campos magnéticos oscilantes de uma certa frequência ressonante. Nas moléculas, essa frequência ressonante depende de como os diferentes átomos são dispostos dentro da molécula. “Da mesma forma, as frequências ressonantes dos átomos de platina única são influenciados por seus vizinhos atômicos – por exemplo, carbono, nitrogênio ou oxigênio – e sua orientação em relação ao campo magnético estático”, explica Copéret.
Isso leva a muitas frequências ressonantes diferentes, assim como os diferentes tons de uma orquestra. Descobrir qual instrumento está produzindo um tom específico não é fácil. “Por sorte, durante uma visita a Lyon, um de nós conheceu um especialista em simulação de Aarhus que estava visitando lá ao mesmo tempo”, diz Copéret. Tais encontros e as colaborações resultantes deles são essenciais para o progresso científico, acrescenta. Juntamente com o colaborador ETH, o especialista em simulação desenvolveu um código de computador que possibilitou filtrar os muitos “tons” diferentes dos átomos individuais de platina da confusão.
Mapeando o ambiente atômico
Por fim, isso levou a um avanço na descrição de catalisadores de átomos únicos: a equipe de pesquisa agora conseguiu compilar um tipo de mapa mostrando o tipo e a posição dos átomos que cercam os átomos de platina. “Este método analítico outline uma nova referência no campo”, diz Pérez-Ramírez.
Com esse método, que é amplamente acessível, protocolos de produção para catalisadores de átomos únicos podem ser otimizados de forma que todos os átomos de platina tenham ambientes personalizados. Este é o próximo desafio para a equipe. “Nosso método também é importante do ponto de vista da propriedade intelectual”, diz Copéret: “ser capaz de descrever com precisão os catalisadores no nível atômico nos permite protegê -los através de patentes”.
