Pesquisadores revelam detalhes em escala atômica dos locais ativos dos catalisadores

As indústrias química e energética dependem de catalisadores para conduzir as reações usadas para criar seus produtos. Muitas reações importantes usam catalisadores heterogêneos — o que significa que os catalisadores estão em uma fase diferente da matéria do que as substâncias com as quais estão reagindo, como a platina sólida reagindo com gases no conversor catalítico de um automóvel.

Cientistas investigaram a superfície de monocristais bem definidos, iluminando os mecanismos subjacentes a muitas reações químicas. No entanto, há muito mais a ser aprendido. Para catalisadores heterogêneos, sua estrutura atômica 3D, sua composição química e a natureza de seus sítios ativos, onde as reações ocorrem, permaneceram elusivas por muito tempo.

Agora, uma pesquisa liderada por membros do Instituto de NanoSistemas da Califórnia na UCLA determinou as coordenadas atômicas 3D, a composição química e a composição da superfície de nanocatalisadores heterogêneos — dimensionados na escala de bilionésimos de metro — usados ​​em reações químicas impulsionadas pela eletricidade.

A técnica da equipe pode impactar profundamente a compreensão fundamental dos sítios ativos dos catalisadores e permitir que engenheiros projetem nanocatalisadores racionalmente de uma forma que otimize seu desempenho, enquanto os métodos atuais estão mais próximos da tentativa e erro.

O estudo, que apareceu na capa da edição de julho da Catálise da Naturezafoi liderado pelos autores correspondentes e membros do CNSI Jianwei “John” Miao, professor de física e astronomia no UCLA College; Yu Huang, professor dotado de Traugott e Dorothea Frederking e presidente do departamento de ciência e engenharia de materiais na Escola de Engenharia Samueli da UCLA; e Philippe Sautet, professor renomado de engenharia química e biomolecular e vice-presidente de educação de pós-graduação na UCLA Samueli.

Usando avanços que desenvolveram para uma técnica de microscopia chamada tomografia eletrônica atômica, a equipe estudou 11 nanopartículas consistindo de uma liga de platina-níquel sozinha ou dessa liga mais traços de molibdênio, outro metal que pode servir como catalisador. Os pesquisadores foram capazes de medir uma série de características em resolução atômica, incluindo as facetas das nanopartículas, suas indentações de superfície e a ordem relativa das estruturas e componentes químicos dos catalisadores.

Os dados da tomografia eletrônica atômica foram inseridos em modelos de inteligência artificial treinados com base em princípios fundamentais da física e da química. Com os algoritmos, os pesquisadores identificaram os locais ativos onde a catálise ocorre. Essas descobertas foram então validadas com medições do mundo real.

As observações dos cientistas revelaram que a atividade química nos sítios de platina da superfície varia amplamente — por várias ordens de magnitude. A equipe conduziu uma análise abrangente da relação entre a estrutura dos nanocatalisadores e a atividade química no nível de átomos individuais para formular uma equação que fornecesse insights quantitativos sobre os sítios ativos dos nanocatalisadores.

Embora este estudo tenha se concentrado em nanocatalisadores de liga à base de platina em uma reação eletroquímica específica, o método geral pode ser aplicado com uma ampla gama de nanocatalisadores para diversas reações para determinar as posições 3D locais dos átomos, bem como a composição elementar e a composição da superfície dos catalisadores.

Os coautores do estudo são Yao Yang da Westlake University na China e Jihan Zhou, Zipeng Zhao e Geng Sun da UCLA. Outros coautores são Saman Moniri, Yongsoo Yang, Ziyang Wei, Yakun Yuan e Yang Liu, todos da UCLA; Colin Ophus, Jim Ciston e Peter Ercius da Molecular Foundry do Lawrence Berkeley National Laboratory; Cheng Zhu e Hendrik Heinz da University of Colorado em Boulder; e Qiang Sun e Qingying Jia da Northeastern University.