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Como escolher bons catalisadores?

Atualmente, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês, Massachusetts Institute of Technology, MIT), EUA, e de outras instituições descobriram que estes dois processos, catálise e molhabilidade, os quais eram considerados não correlacionados, são na verdade, intimamente ligados. Esta descoberta pode facilitar a escolha de novos catalisadores para aplicações específicas, entre outros benefícios em potencial.

“O que é realmente empolgante é que nós podemos correlacionar as interações a nível atômico da água e óxidos na superfície com medidas macroscópicos de molhabilidade, independe da superfície ser hidrofóbica ou hidrofílica, e relacionar isso diretamente com as propriedades catalíticas”, disse Yang Shao-Horn, professor do MIT. O foco da pesquisa é uma classe de óxidos denominada perovskitas, as quais são interessantes para aplicações tais como sensores de gases, purificação de água, baterias e células-combustíveis.




Materiais que apresentam boas propriedades de molhabilidade, como ilustrado na figura da esquerda, onde as gotas se espalham de maneira planar, tendem a possuir grupos hidroxilas ligados a superfície, os quais inibem a atividade catalítica. Materiais que repelem a água, como mostrado a direita, onde as gotas ficam mais esféricas, contribuem mais para a atividade catalítica, como demonstrado pelas reações entre as pequenas moléculas ilustradas em laranja.

Créditos: MIT


Como a determinação da molhabilidade de uma superfície é “trivialmente fácil”, como dito pelo também autor KripaVaranasi, professor associado de engenharia mecânica, esta determinação pode ser utilizada para predizer se um material pode ser utilizado como catalisador. Uma vez que os pesquisadores tendem a se especializar individualmente em catálise ou molhabilidade, este fato permite a criação de uma rede para que pesquisadores de ambas as áreas trabalhem em conjunto para o avanço deste conhecimento, disse Varanasi, que é especialista em molhabilidade, enquanto o professor Shao-Horn é especialista em catálise.

“Nós mostramos como a molhabilidade e a catálise, dois fenômenos de superfície, estão correlacionados e como a estrutura eletrônica depende de ambos”, disse Varanasi. Embora ambos os efeitos sejam importantes em uma gama de processos industriais e têm sido objeto de muitas pesquisas, “ao nível molecular, nós entendemos muito pouco sobre o que ocorre na interface”, disse Shao-Horn. “Este é um passo futuro, o qual fornecerá a compreensão a nível molecular”.

“Foi essencialmente uma técnica experimental” que tornou possível este novo entendimento, explica Kelsey Stoerzinger, estudante de graduação do MIT e autora principal do artigo. Enquanto a maioria das tentativas de estudar tais fenômenos de superfície utiliza instrumentos que requerem vácuo, este grupo utilizou um dispositivo que permite estudar as reações sob a umidade do ar, temperatura ambiente e com níveis variados de vapor de água presente. Experimentos utilizando este sistema, denominado Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X sob Pressão Ambiente, revelaram que a reatividade frente à água é a chave de todo o processo, disse ela.

As moléculas de água se rompem para formar grupos hidroxilas – um átomo de oxigênio ligado a um átomo de hidrogênio – que se liga à superfície do material. Estes compostos reativos, por sua vez, são responsáveis pelo aumento da molhabilidade da superfície o que simultaneamente inibe a capacidade do material catalisar as reações químicas. Portanto, para aplicações que requerem elevada atividade catalítica, a pesquisa comprova que um fator determinante é que a superfície seja hidrofóbica ou com baixa molhabilidade.

“Idealmente, este conhecimento nos ajudará a desenvolver novos catalisadores”, disse Stoerzinger. Se um dado material “apresenta baixa afinidade pela água, ele terá uma alta capacidade para a atividade catalítica”.

Shao-Horn pontua que este é apenas o início da descoberta e que a “extensão destas tendências para classes mais amplas de materiais e afinidade por grupos hidroxilas requerem maiores investigações”. O grupo já começou tais investigações nestas áreas. Esta pesquisa, segundo os pesquisadores, “abre o horizonte que imaginávamos sobre materiais e superfícies”, tanto em catálise, quanto na questão da molhabilidade.

David L. Chandler, MIT (Tradução – MBS).


Nota do Scientific Editor - O trabalho que deu origem a esta notícia de título: "Reactivity of Perovskites with Water: Role of Hydroxylation in Wetting and Implications for Oxygen Electrocatalysis", de autoria de Kelsey A. Stoerzinger, Wesley T. Hong, Gisele Azimi, Livia Giordano, Yueh-Lin Lee, Ethan J. Crumlin, Michael D. Biegalski, Hendrik Bluhm, Kripa K. Varanasi, and Yang Shao-Horn foi publicado, online, no periódico Journal of Physical Chemistry, 2015, DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b06621.


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