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O hidrogênio é considerado uma alternativa ecológica aos combustíveis fósseis convencionais. Até agora, substâncias caras e raras, como a platina, eram necessárias para sua produção catalítica, por exemplo, por meio da separação eletrolítica da água. Catalisadores mais prontamente disponíveis poderiam tornar possível a produção de grandes quantidades no futuro. As equipes de pesquisa de Helmut Cölfen (Físico-Química) e Peter Nielaba (Física Estatística e Computacional) da Universidade de Konstanz desenvolveram um método geral para produzir nanopartículas bidimensionais a partir de materiais prontamente acessíveis, juntamente com pesquisadores da Ocean University of China, Qingdao (China) e Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, Berlim (Alemanha). As nanopartículas bidimensionais têm um alto potencial catalítico, razão pela qual esta rota sintética é adequada para a produção de catalisadores particularmente ativos.
O processo de síntese correspondente é realizado em uma solução aquosa simples. Não são necessários aditivos tóxicos ou temperaturas particularmente elevadas, energeticamente desfavoráveis. O processo é controlado pela simples variação da concentração dos componentes e pela regulação da temperatura. A equipe de pesquisa conseguiu moldar mais de 30 compostos diferentes em formas bidimensionais usando este método, que foi descrito agora pela primeira vez na revista científica. Síntese da Natureza.
A vantagem das nanopartículas bidimensionais
As nanopartículas bidimensionais (2D) têm um número particularmente grande de átomos de superfície, que têm propriedades diferentes dos átomos dentro de uma partícula. As ligações dos átomos da superfície não são saturadas porque a superfície não possui os átomos vizinhos imediatos aos quais as ligações são formadas dentro da partícula. Isso leva à tensão superficial ou interfacial. Como esse estado não saturado consome bastante energia para o sistema geral, as nanopartículas tentam se agrupar para saturar as ligações e minimizar a área de superfície.
No entanto, se as ligações da superfície permanecerem insaturadas, isso resulta em maior reatividade química. O número de ligações insaturadas é particularmente alto em nanopartículas bidimensionais porque elas possuem ligações insaturadas não apenas na parte superior e inferior, mas também nas laterais e nas bordas. Isso os torna particularmente interessantes para a catálise, que desempenha um papel importante na química. No entanto, os nanocristais necessários são difíceis de fabricar devido ao estado de energia desfavorável na superfície.
As nanopartículas bidimensionais são anisotrópicas e suas propriedades dependem da orientação de seus blocos de construção. A rede cristalina das partículas é decisiva para sua direção de crescimento. Se as nanopartículas tiverem uma rede cristalina em camadas como na argila, as partículas crescerão bidimensionalmente. No entanto, os materiais favoráveis à catálise raramente adotam a forma bidimensional por conta própria. Se a rede cristalina ditar que o cristal cresce rapidamente ao longo de dois eixos cristalinos, as nanopartículas bidimensionais podem ser facilmente sintetizadas. Então, apenas alguns blocos de construção moleculares são necessários na solução para crescer as nanopartículas bidimensionalmente. Se os cristais crescerem em outras direções com a mesma rapidez ou apenas um pouco mais devagar, os cristais assumem uma forma tridimensional.
Como as nanopartículas crescem bidimensionalmente
A equipe de pesquisa descobriu como a concentração de blocos de construção moleculares na solução pode ser usada para manipular esse processo: se a concentração de blocos de construção for aumentada, o princípio de “o que cresce rápido também consome mais material” entra em ação: a distância entre os eixos de cristal de crescimento rápido e de crescimento mais lento aumenta, resultando em partículas bidimensionais.
O método de aumentar a concentração do bloco de construção não funciona se a taxa de crescimento ao longo de diferentes eixos de cristal relevantes for aproximadamente a mesma. Nesse caso, os pesquisadores usam outro parâmetro. A taxa de crescimento das superfícies cristalinas depende exponencialmente da temperatura. Se a temperatura da solução for alterada mesmo em alguns graus, a diferença na taxa de crescimento entre as faces do cristal de crescimento lento e rápido aumentará. Como resultado, as nanopartículas crescem em duas dimensões.
O método funciona para mais de 30 elementos da tabela periódica
Este procedimento geral funciona para muitos materiais. Na tabela periódica, a equipe de pesquisa germano-chinesa conseguiu identificar metais em muitos grupos, mais de 30 no total, que assumem a forma bidimensional como óxidos ou hidróxidos, mas também ácidos, sulfetos, oxicloretos e fosfatos. A vantagem desta abordagem geral, que foi descrita pela primeira vez: na maioria dos casos, os materiais são produzidos à temperatura ambiente em água – sem solventes tóxicos ou altas temperaturas.
Além disso, o rendimento de materiais catalíticos é altamente escalável. No laboratório, os pesquisadores trabalham em uma escala multigrama. Para produzir catalisadores em grandes quantidades usando substâncias facilmente acessíveis, tudo o que é necessário é um recipiente selado – em vez de aparelhos especiais, como vasos de pressão.
Experimentos confirmam a teoria
O estudo experimental também mostra como o conhecimento teórico pode ser colocado em prática. Os experimentos confirmam as simulações teóricas realizadas pela equipe de Peter Nielaba em um projeto conjunto com a equipe de Cölfen no Centro de Pesquisa Colaborativa 1214 “Partículas Anisotrópicas como Blocos de Construção: Adaptando Formas, Interações e Estruturas” na Universidade de Konstanz. O físico já havia levado em conta variações na concentração dos componentes e na temperatura. “Os cálculos e o que descobrimos experimentalmente coincidem completamente”, conclui Helmut Cölfen.
O processo de síntese é realizado em uma solução aquosa simples à temperatura ambiente. Não são necessários aditivos tóxicos ou temperaturas particularmente altas.
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