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O uso de flashes curtos de luz de raios X aproxima os cientistas de um grande passo em direção ao desenvolvimento de melhores catalisadores para transformar o metano do gás de efeito estufa em uma substância química menos prejudicial. O resultado, publicado na revista Science, revela pela primeira vez como as ligações carbono-hidrogênio dos alcanos se quebram e como o catalisador atua nessa reação.
O metano, um dos gases de efeito estufa mais potentes, está sendo liberado na atmosfera em uma taxa crescente pela pecuária, bem como pelo contínuo descongelamento do permafrost. Transformar o metano e os alcanos de cadeia mais longa em produtos químicos menos nocivos e de fato úteis removeria as ameaças associadas e, por sua vez, tornaria disponível uma enorme matéria-prima para a indústria química. No entanto, a transformação do metano requer como primeiro passo a quebra de uma ligação CH, uma das ligações químicas mais fortes da natureza.
Quarenta anos atrás, foram descobertos catalisadores de metal molecular que podem facilmente quebrar as ligações CH. A única coisa necessária foi um curto flash de luz visível para “ligar” o catalisador e, como num passe de mágica, as fortes ligações CH dos alcanos que passam nas proximidades são facilmente quebradas quase sem usar nenhuma energia. Apesar da importância dessa chamada reação de ativação de CH, permaneceu desconhecido ao longo das décadas como esse catalisador desempenha essa função.
A pesquisa foi liderada por cientistas da Universidade de Uppsala em colaboração com o Instituto Paul Scherrer na Suíça, a Universidade de Estocolmo, a Universidade de Hamburgo e o European XFEL na Alemanha. Pela primeira vez, os cientistas puderam observar diretamente o catalisador em ação e revelar como ele quebra as ligações CH.
Em dois experimentos conduzidos no Instituto Paul Scherrer, na Suíça, os pesquisadores conseguiram acompanhar a delicada troca de elétrons entre um catalisador de ródio e um grupo de octano CH à medida que ele é quebrado. Usando duas das fontes mais poderosas de flashes de raios-X do mundo, o laser de raios-X SwissFEL e o síncrotron de raios-X Swiss Light Source, a reação pode ser acompanhada do começo ao fim. As medições revelaram a ativação inicial induzida por luz do catalisador em 400 femtossegundos (0,0000000000004 segundos) até a quebra final da ligação CH após 14 nanossegundos (0,000000014 segundos).
“As experiências de absorção de raios X resolvidas no tempo que realizamos só são possíveis em instalações de grande escala como SwissFEL e Swiss Light Source, que fornecem pulsos de raios X extremamente brilhantes e curtos. O catalisador é imerso em uma solução densa de octano, mas tomando a perspectiva do metal, poderíamos escolher especificamente a ligação CH entre centenas de milhares que é feita para quebrar”, explica Raphael Jay, pesquisador da Universidade de Uppsala e principal experimentalista do estudo.
Para interpretar os dados experimentais complexos, os teóricos da Universidade de Uppsala e da Universidade de Estocolmo se uniram e realizaram cálculos químicos quânticos avançados.
“Nossos cálculos nos permitem identificar claramente como a carga eletrônica flui entre o catalisador metálico e o grupo CH na proporção certa. Podemos ver como a carga fluindo do metal para a ligação CH une os dois grupos químicos. A carga fluindo no A direção oposta, em vez disso, atua como uma tesoura que eventualmente separa os átomos C e H”, explica Ambar Banerjee, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Uppsala e principal teórico do estudo.
O estudo resolve um mistério de quarenta anos sobre como um catalisador ativado pode realmente quebrar fortes ligações CH trocando cuidadosamente frações de elétrons e sem a necessidade de altas temperaturas ou pressões. Com sua nova ferramenta em mãos, os pesquisadores querem aprender como direcionar o fluxo de elétrons para ajudar a desenvolver melhores catalisadores para a indústria química, a fim de fazer algo útil a partir do metano e outros alcanos.
fatos
O estudo se baseia no trabalho pioneiro do avô, pai e filho Manne, Kai e Per Siegbahn.
Manne Siegbahn (Universidade de Uppsala), que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1924, foi pioneiro em como diferentes elementos podem ser distinguidos por raios-X.
Kai Siegbahn (Universidade de Uppsala), que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1981, foi pioneiro em como diferentes ambientes químicos do mesmo elemento podem ser distinguidos por raios-X.
Per Siegbahn (Universidade de Estocolmo) previu teoricamente a troca concertada de carga eletrônica necessária para quebrar uma ligação CH.
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