Observando uma superfície catalítica bimetálica em ação

Hidrogenação de CO₂ ao metanol ocorre com alta eficiência no famoso Cu/ZnO/Al₂Ó₃ catalisadores em altas pressões, ou seja, 50 – 100 bar. No entanto, esta síntese não só traz consigo riscos de segurança e um elevado consumo de energia, mas também limita a emissão de CO₂ concentração na alimentação de gás para manter alta seletividade. Portanto, uma nova classe de catalisadores para a síntese de metanol a baixa pressão é altamente desejável, também para o desenvolvimento futuro de dispositivos de pequena escala utilizando hidrogénio gerado por energia solar à pressão ambiente.

Foi recentemente descoberto que compostos intermetálicos e ligas contendo Ga apresentam bom desempenho catalítico mesmo em pressões atmosféricas. No entanto, o papel promocional do Ga nestes catalisadores ainda é pouco compreendido, principalmente devido à falta de informações sobre o superfície estruturas dos catalisadores. A este respeito, estudos utilizando técnicas sensíveis à superfície aplicadas a modelos de catalisadores bem definidos sob condições de reação podem fornecer informações importantes que ajudarão a nossa compreensão da natureza dinâmica dos sítios ativos, dos intermediários da reação e, em última análise, do mecanismo de reação.

Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Ciência de Interface do Instituto Fritz Haber aproveitou a espectroscopia de fotoelétrons de raios X de pressão ambiente próxima (NAP-XPS) e a microscopia de varredura por túnel (NAP-STM) baseadas em laboratório, para monitorar no local a evolução estrutural e química de superfícies bimetálicas Ga-Cu no CO₂ reação de hidrogenação. Eles observaram a desligação da superfície bimetálica dependente da temperatura e da pressão, resultando em ilhas de óxido de Ga incorporadas na superfície de Cu. Embora a fase óxido apresentasse uma estequiometria próxima de Ga₂Ó₃, ou seja, o óxido de Ga mais estável, na verdade forma uma camada ultrafina. O efeito promocional de metais como o Ga, que são propensos à oxidação, é frequentemente discutido em modelos estruturais onde um volume óxido é colocado em cima da superfície do metal e o mecanismo de reação correspondente envolve o transbordamento de espécies intermediárias na interface. O presente estudo demonstrou claramente que: (i) o óxido de Ga está incorporado em a superfície metálica; e (ii) as ilhas de óxido de Ga são ultrafinas, provavelmente de espessura de “monocamada”. A formação induzida pela reação de uma camada ultrafina de óxido de Ga em superfícies metálicas também é prevista para compostos intermetálicos contendo Ga. É importante ressaltar que tais filmes de óxido bidimensionais são muito diferentes dos seus equivalentes em massa em termos de estrutura e reatividade. Portanto, o GaO_xInterface /Cu formada sob CO₂ as condições da reação de hidrogenação podem expor sítios cataliticamente ativos nunca antes considerados para esta reação. Tal informação seria impossível de ser obtida utilizando técnicas sensíveis ao volume comumente empregadas para a caracterização de catalisadores em pó.

Os resultados deste estudo, realizado no âmbito do projecto CATLAB e também apoiado pela Fundação Alexander von Humboldt, que acaba de ser publicado em Comunicações da Natureza, lança luz sobre a complexa estrutura superficial dos sistemas catalíticos contendo Ga. Essa visão sobre o funcionamento dos catalisadores só é possível obter usando técnicas experimentais de última geração sob condições de reação. Somente estabelecendo a estrutura atômica da(s) camada(s) de óxido de Ga e sua interface com o metal de transição sob condições de trabalho pode-se obter informações sobre o mecanismo de reação deste catalisador de síntese de metanol.