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Materiais à base de carbono têm várias qualidades que os tornam atrativos como catalisadores para acelerar reações químicas. Eles são de baixo custo, leves e sua alta área de superfície fornece um bom andaime para ancorar os catalisadores, mantendo-os estáveis e dispersos, enquanto fornecem às moléculas muita área de superfície para trabalhar. Isso torna os carbonos úteis para armazenamento de energia e sensores. Nos últimos 10 anos, os carbonos foram usados em eletroquímica para catalisar reações para produzir produtos químicos e células de combustível.
No entanto, em trabalho recentemente relatado em Natureza ComunicaçõesDion Vlachos, da Universidade de Delaware, e pesquisadores do Centro de Catálise para Inovação Energética (CCEI), com colaboradores do Brookhaven National Laboratory, fizeram algumas descobertas surpreendentes enquanto desenvolviam técnicas para entender melhor o papel que o oxigênio desempenha no desempenho dos catalisadores à base de carbono.
De acordo com Vlachos, o que eles descobriram virou de cabeça para baixo parte do que eles sabiam sobre química.
Nem todos os oxigênios são iguais
Apesar de sua utilidade, os carbonos não são bem compreendidos. Eles também não são uniformes. Os materiais de carbono às vezes contêm oxigênio, e esse oxigênio pode vir em várias formas diferentes – como álcool, aldeído, cetona ou ácido. Uma questão em aberto é o que o oxigênio nesses materiais de carbono faz.
Assim, Vlachos e uma equipe de pesquisadores pegaram moléculas de carbono e introduziram sistematicamente mais e mais oxigênio, depois caracterizaram o material resultante usando técnicas espectroscópicas para medir quanto e que tipo de oxigênio estava presente. Os pesquisadores fizeram isso para uma biblioteca de cerca de 10 a 15 materiais e, em seguida, realizaram reações usando os diferentes carbonos oxigenados. Isso permitiu que eles correlacionassem a reatividade do material de carbono com a quantidade e o tipo de oxigênio presente usando ferramentas de aprendizado de máquina.
O trabalho da equipe mostrou uma conexão entre a quantidade e o tipo de oxigênio presente e o desempenho, incluindo quais oxigênios são mais ativos. Contra-intuitivamente, os pesquisadores também descobriram algo surpreendente: efeitos de longo alcance de anéis aromáticos distantes de um local de catalisador às vezes podem fazer com que os grupos de álcool do carbono se tornem mais ácidos do que os grupos funcionais de carbono ácidos familiares encontrados em pequenos ácidos de química orgânica.
A princípio, os pesquisadores ficaram surpresos, mas depois fizeram alguns cálculos e confirmaram que o efeito se devia aos carbonos oxigenados à base de álcool nos anéis aromáticos.
“O carbono tem anéis aromáticos”, disse Vlachos, presidente da Unidel Dan Rich em energia e diretor do CCEI, um centro de pesquisa de fronteira de energia apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA. “E quanto mais anéis de carbono são adicionados a um material, maior a chance de criar um fenômeno regional onde efeitos de longo alcance de longe podem ter um efeito de controle sobre a atividade dos sítios catalisadores”.
Este não é o caso da química típica da catálise, onde o efeito é muito local. Por exemplo, o vínculo A afeta o vínculo B e pronto.
“Todo o pensamento químico está de cabeça para baixo. Isso não era esperado”, acrescentou.
Em termos de aplicações, Vlachos disse que isso significa que, se os pesquisadores quiserem criar um catalisador de carbono mais ácido, precisarão usar mais grupos funcionais de álcool, neste caso, hidroxilas.
Os pesquisadores usaram técnicas avançadas para validar os resultados da modelagem matemática e caracterizar o que aconteceria com o oxigênio nos materiais em condições quase reais, enquanto a química estava ocorrendo.
“A equipe da Universidade de Delaware realizou um feito impressionante usando ferramentas e métodos avançados para desvendar um sistema catalítico complicado”, disse Anibal Boscoboinik, cientista de materiais do Centro de Nanomateriais Funcionais, um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory do DOE. “Estamos muito satisfeitos por ter desempenhado um papel nessa conquista significativa, realizando medições usando um tipo especial de espectroscopia no Centro de Nanomateriais Funcionais.”
Com essa nova metodologia para determinar o que cada parte da química está fazendo, a equipe de pesquisa pode testar diferentes técnicas de fabricação de materiais para ver qual abordagem tem o melhor efeito. Por exemplo, todas as moléculas de oxigênio são igualmente eficazes em acelerar as reações catalíticas ou algumas são melhores que outras? Vlachos também está curioso para saber se a fonte de oxigênio pode ser usada para dispersar metais para reações. Os métodos tradicionais de introdução de oxigênio em uma reação para fabricar materiais são corrosivos, portanto, encontrar maneiras mais ecológicas de fazer isso pode trazer processos mais sustentáveis mais próximos da concretização.
Jiahua Zhou e Piaoping Yang, estudantes de doutorado em engenharia química e biomolecular, atuaram como co-autores principais do artigo. O diretor do CCEI, Dion Vlachos, e Weiqing Zheng, diretor associado do CCEI, atuaram como co-investigadores principais do projeto. Os co-autores do UD incluem Stavros Caratzoulas, Pavel A. Kots e Caitlin M. Quinn. Outros co-autores colaboradores incluem Matheus Dorneles de Mello e J. Anibal Boscoboinik do Brookhaven National Laboratory, e Ying Chen, Maximilian Cohen e Wendy J. Shaw, do Pacific Northwest National Laboratory.
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