Segredo do catalizador revelado

Uma técnica promissora para observar catalizadores em ação pode proporcionar novas aplicações na medida que conhecemos como eles funcionam, de acordo com cientistas holandeses. A equipe utilizou microscopia de raio-X para estudar a reação catalítica Fischer-Tropsch (nota 1), e a nova tecnologia deve dar aos cientistas um grande entendimento sobre a atividade catalítica, permitindo o design de catalizadores melhores e mais eficientes.

Os catalizadores sólidos estão onipresentes na indústria química, e aceleram a produção de muitos compostos importantes. Eles são compostos tipicamente de partículas nanométrica de metais ou óxidos metálicos, ligados a um suporte sólido, frequentemente porosos com uma altíssima área de superfície.

Porém, os catalizadores frequentemente possuem uma estrutura química complexa e mudam durante a reação - então "observar" diretamente o catalizador reagindo podem fornecer pistas úteis para melhorar a sua eficiência. Mas fazer isso juntamente com as pressões e temperaturas utilizadas na indústria prova ser muito difícil.

Agora, o grupo de pesquisadores coordenado por Frank de Groot e Bert Weckhuysen da Universidade de Utrecht na Holanda, em colaboração com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (USA), alcançaram este feito utilizando pequenos frascos reacionais (ou nanoreatores). "É a primeira vez que um catalizador heterogênio tem sido examinado em nanoescala", diz Frank.

Neste nanoreator, a reação ocorre entre duas janelas separadas por uma parede de apenas 10nm de espessura. Esta configuração permite que o raio-X passe através da reação para atingir um sensor, produzindo fotografias da reação em curso. Uma parte do raio-X é absorvida pelo catalizador, reagente e produtos - a energia exata absorvida revela a sua composição química. A equipe foi capaz de sondar as superfícies catalisadoras em uma resolução de cerca de 40 nm.

Como citado anteriormente, a reação estudada pela equipe foi a de Fischer-Tropsch - onde partículas de um catalizador sólido de óxido de ferro em um substrato de sílica, é usado para converter monóxido de carbono e hidrogênio em hidrocarbonetos líquidos, que podem ser utilizados como combustíveis.

Mapas de contorno podem ser construídos para mostrar a composição do catalizador (esquerda) e as áreas onde há a maior parte de hidrocarbonetos concentrados sendo gerados (direita)

A equipe replicou a reação em seu nano-reator e descobriu que durante a reação o óxido de ferro sofreu muitas transformações. O óxido inicial (Fe₂O₃) é convertido em outro óxido (Fe₃O₄), antes do silicato (Fe₂SiO₄) e do ferro metálico se formarem. Para que finalmente, surgem os acetiletos de ferro (Fe_xC_y), dando sequencia na reação. Correlacionando o catalizador em diferentes áreas com os produtos orgânicos sendo formados, a equipe mostrou que o carbono acumula nas áreas ricas em ferro, com os produtos (hidrocarbonetos) descolando-se do silicato ao substrato.

"Estas descobertas mostram um grande potencial para o imageamento de catalizadores heterogênios in situ," diz Alexis Bell da Universidade da California, Berkeley (USA) "Eu imagino que o processo não é limitado a observação de partículas de catalizadores, mas poderia também ser usadas em muitas outras aplicações, como detectar níveis de partículas sólidas no ar, que provocam a chuva ácida."

Outros usos propostos incluem monitoramento das mudanças estruturais nos materiais de armazenamento de hidrogênio ou examinando a distribuição de partículas de medicamentos nas células. A equipe diz que o desenvolvimento e evolução dos métodos de imageamento óptico devem melhorar a resolução da técnica.

Notas

Nota 1 - O processo de Fischer-Tropsch é um processo químico para produção de hidrocarbonetos líquidos (gasolina, querosene, gasóleo e lubrificantes) a partir de gás de síntese (CO e H2). Foi inventado pelos alemães Franz Fischer e Hans Tropsch na década de 20.


Referências

[1] http://www.nature.com/nature/journal/v456/n7219/abs/nature07516.html?lang=en
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