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Catalisador atômico quebra mais forte ligação do carbono

Catalisador de átomo único quebra ligação química mais forte
O catalisador atômico quebra as ligações C-F, uma das mais fortes que se conhece. [Imagem: Dahong Huang et al. - 10.1021/acscatal.8b02660]

Catalisadores de átomo único

Uma equipe internacional de cientistas desenvolveu um catalisador atômico - o que, por si só, já é um avanço fundamental - capaz quebrar as ligações carbono-flúor, uma das mais fortes ligações químicas conhecidas.

A descoberta é um avanço para os esforços de remediação ambiental e síntese química.

"Nosso objetivo era desenvolver uma tecnologia que pudesse degradar as substâncias perfluoroalcóixidas (PFAs), um dos mais desafiadores problemas de remediação de poluentes dos dias atuais.

"As PFAs [resinas de polímero perfluoroalcóxico] são amplamente detectadas em todo o mundo, desde a biota ártica até o corpo humano, e as concentrações em águas subterrâneas contaminadas excedem significativamente o limite regulatório em muitas áreas. Atualmente, não há métodos energeticamente eficientes para destruir esses contaminantes. Nossa colaboração visa resolver este problema, aproveitando as propriedades únicas dos catalisadores de átomo único," disse o professor Jaehong Kim, da Universidade de Yale, nos EUA, acrescentando que essas resinas são mais conhecidas pelo seu nome comercial Teflon®.

Catalisadores menores e mais eficientes

Para otimizar a eficiência dos catalisadores - substâncias que iniciam ou aceleram as reações químicas - os cientistas dividem-nas em pedaços menores, indo até os nanomateriais. E recentemente, eles começaram a quebrar os catalisadores ainda mais, além da nanoescala e até em átomos individuais, incluindo átomos artificiais.

Catalisador de átomo único quebra ligação química mais forte
Esta foto feita por microscópio eletrônico de transmissão mostra os átomos individuais de platina sobre um substrato de carbeto de silício. [Imagem: Dahong Huang et al. - 10.1021/acscatal.8b02660]

"A única parte de um catalisador que é reativa é a sua superfície," explica Eli Stavitski, do Laboratório Nacional Brookhaven. "Então, se você divide um catalisador em pequenos pedaços, você aumenta sua área superficial e expõe mais as propriedades reativas do catalisador. Mas também, quando você quebra os catalisadores abaixo de 10 nanômetros, suas propriedades eletrônicas mudam drasticamente. De repente, eles se tornam muito reativos. Em última análise, você quer ir para o próximo passo e dividir os catalisadores em átomos individuais. "

O desafio é que os átomos individuais não se comportam da mesma forma que os catalisadores maiores; eles não gostam de ficar sozinhos e podem causar reações colaterais indesejadas. Para utilizá-los na forma de átomos individuais é necessário encontrar a combinação perfeita entre um metal forte e reativo, como a platina ou o ródio, e um ambiente estável e complementar.

"Nossa equipe desenvolveu um método prontamente escalonável para sintetizar catalisadores de átomo único em duas etapas simples. Primeiro, ligamos os metais a locais de ancoragem em um material de suporte, então fotorreduzimos os metais em átomos individuais sob irradiação leve de UV-C.

"Usando este método, nosso grupo sintetizou um conjunto de catalisadores de átomo único envolvendo vários metais (platina, paládio e cobalto) e suportes (carbeto de silício, nitreto de carbono e dióxido de titânio) para inúmeras reações catalíticas. Neste trabalho, descobrimos que átomos de platina simples ancorados sobre carbeto de silício são notavelmente eficazes na catalisação da clivagem de ligações flúor-carbono e na quebra de contaminantes como as PFAs," disse Kim.

A equipe vai continuar a colaboração para aplicar os catalisadores de átomo único a vários desafios ambientais além das PFAs.

Bibliografia:

Single-Atom Pt Catalyst for Effective C-F Bond Activation via Hydrodefluorination
Dahong Huang, Glen Andrew de Vera, Chiheng Chu, Qianhong Zhu, Eli Stavitski, Jing Mao, Huolin Xin, Jacob A. Spies, Charles A. Schmuttenmaer, Junfeng Niu, Gary L. Haller, Jae-Hong Kim
Catalysis
Vol.: 8, pp 9353-9358
DOI: 10.1021/acscatal.8b02660




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