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Químicos da Universidade do Kansas e do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos deram um grande passo para dividir as moléculas de hidrogênio e oxigênio para produzir hidrogênio puro – sem usar combustíveis fósseis.
Resultados de experimentos de radiólise de pulso revelaram o mecanismo de reação completo para um importante grupo de catalisadores de “divisão de água”. O trabalho de KU e Brookhaven significa que os cientistas estão mais perto de produzir hidrogênio puro a partir de energia renovável, uma fonte de energia que pode contribuir para um futuro mais verde para a nação e o mundo.
Suas descobertas aparecem esta semana em Anais da Academia Nacional de Ciências.
“Entender como as reações químicas que produzem combustíveis limpos como o hidrogênio funcionam é muito desafiador – este artigo representa o ponto culminante de um projeto que comecei no meu primeiro ano na KU”, disse o coautor James Blakemore, professor associado de química, cuja pesquisa em Lawrence forma a base da descoberta.
“Nosso artigo apresenta dados que foram obtidos com dificuldade a partir de técnicas especializadas para entender como um determinado catalisador para geração de hidrogênio faz o trabalho”, disse ele. “As técnicas que foram usadas aqui na KU e em Brookhaven são bastante especializadas. A implementação delas nos permitiu obter uma visão completa de como produzir hidrogênio a partir de suas partes constituintes, prótons e elétrons.”
A pesquisa de Blakemore na KU foi a base da descoberta. Ele levou seu trabalho para Brookhaven para pesquisa usando radiólise de pulso, bem como outras técnicas, no Accelerator Center for Energy Research. Brookhaven é um dos dois únicos lugares no país que abriga equipamentos que permitem experimentos de radiólise de pulso.
“É muito raro que você possa obter uma compreensão completa de um ciclo catalítico completo”, disse o químico de Brookhaven Dmitry Polyansky, co-autor do artigo. “Essas reações passam por muitas etapas, algumas das quais são muito rápidas e não podem ser facilmente observadas”.
Blakemore e seus colaboradores fizeram a descoberta estudando um catalisador baseado em um complexo pentametilciclopentadienil ródio, que é [Cp*Rh] abreviado. Eles se concentraram no ligante Cp* (pronuncia-se CP-“estrela”) emparelhado com o metal raro ródio por causa de dicas de trabalhos anteriores mostrando que essa combinação seria adequada para o trabalho.
“Nosso sistema de ródio acabou sendo um bom alvo para a radiólise de pulso”, disse Blakemore. “Os ligantes Cp*, como são chamados, são familiares para a maioria dos químicos organometálicos, e realmente químicos de todos os tipos. Eles são usados para dar suporte a muitos catalisadores e podem estabilizar uma variedade de espécies envolvidas em ciclos catalíticos. Uma descoberta chave de este artigo fornece uma nova visão de como o ligante Cp* pode estar intimamente envolvido na química da evolução do hidrogênio.”
Mas Blakemore enfatizou que as descobertas podem levar a outros processos químicos aprimorados além da produção de hidrogênio limpo.
“Em nosso trabalho, esperamos que os químicos vejam um estudo sobre como um ligante comum, Cp*, pode permitir uma reatividade incomum”, disse o pesquisador da KU. “Essa reatividade incomum é relevante para a história do hidrogênio, mas na verdade é maior do que isso porque o Cp* é encontrado em muitos catalisadores diferentes. Os químicos normalmente pensam que os catalisadores são baseados em metais. Nesse modo de pensar, se você está fazendo uma nova molécula, o metal é o ator-chave que une as partes constituintes. Nosso artigo mostra que nem sempre é esse o caso. Cp* pode estar envolvido na junção das peças para formar produtos.”
Blakemore disse esperar que este artigo seja uma abertura que leve a melhorias em outros catalisadores e sistemas que dependem de ligantes Cp*. A descoberta, que foi apoiada pela National Science Foundation e pelo DOE Office of Science, pode ser aplicada de forma mais ampla à química industrial. Blakemore agora está trabalhando na aplicação de técnicas como as usadas neste trabalho para o desenvolvimento de novas abordagens para a reciclagem de combustíveis nucleares e manuseio de espécies de actinídeos.
Os alunos da KU nos níveis de pós-graduação e graduação também estiveram envolvidos em pesquisas que sustentaram o avanço.
“Este projeto foi um veículo de treinamento muito importante para os alunos”, disse Blakemore. “O aluno de pós-graduação Wade Henke, o primeiro autor, está agora no Argonne National Laboratory como pós-doutorado. O aluno de pós-graduação Yun Peng é o segundo autor e iniciou o trabalho conjunto com Brookhaven; ambos já concluíram seus doutorados. Os alunos de graduação também contribuíram para isso projeto ao longo dos anos, fornecendo novos complexos e insights que usamos para enquadrar a história que emergiu neste artigo.
“Em suma, considero este um projeto bem-sucedido e que foi um verdadeiro esforço de equipe ao longo dos anos.”
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