Novo método visualiza onde atuam os catalisadores, em laboratório

Durante décadas, medir um catalisador significava calculá-lo em média. As medições convencionais calculam a média da atividade de muitas partículas de catalisador em simultâneo, o que oculta as diferenças locais que poderiam explicar por que razão um ponto funciona e outro não. A equipa da Faculdade de Design e Engenharia da Universidade Nacional de Singapura criou uma forma de ver essas diferenças. O método, chamado DELINE, segue eventos de reação individuais na superfície de um catalisador enquanto este está em funcionamento.

Muitas reações catalíticas não emitem luz, pelo que não podem ser observadas ao microscópio. O DELINE contorna isto ligando a reação em estudo a uma reação subsequente muito mais rápida, que produz um sinal fluorescente. A equipa aplicou-o a placas finas de ouro enquanto a água se dividia sobre o metal: a água liberta hidrogénio, que mais tarde pode formar gás hidrogénio, e também produz iões hidróxido. Uma molécula sonda reage com esses iões hidróxido e acende-se, pelo que cada ponto luminoso regista um evento. Experiências de controlo confirmaram que a sonda não alterou a atividade catalítica do ouro. Em 39 placas de ouro e 195 regiões de superfície, as arestas e as faces laterais eram geralmente mais ativas do que as faces amplas e planas, embora a atividade também variasse dentro dessas faces.

A conclusão central é um compromisso. Variando a tensão aplicada, os investigadores mediram o grau de aceleração da reação em cada região e estimaram uma taxa de base em equilíbrio. As regiões mais sensíveis à tensão tendiam a ter uma taxa de base mais baixa, uma relação que a equipa designa por compensação cinética. Simulações computacionais e imagens adicionais apontaram para iões de sódio no líquido circundante, que se acumulavam de forma desigual junto ao ouro. Essa acumulação altera as moléculas de água próximas e torna a reação mais sensível à tensão, ao mesmo tempo que obstrui a superfície e abranda a taxa de base. «Saber quais as partes de um catalisador que estão ativas é apenas o ponto de partida», afirmou o professor auxiliar Mao Xianwen, que liderou a investigação. «O DELINE permite-nos ampliar estas diferenças.»

O mesmo método foi aplicado a placas de cobre durante a divisão da água e a redução de nitratos, uma reação que converte nitratos noutros compostos de azoto. No cobre, as faces amplas e planas eram mais ativas do que as arestas, o inverso do padrão observado no ouro. A equipa usou também os seus mapas de reação para modelar placas de ouro ocas com diferentes larguras de rebordo: alargar o rebordo podia aumentar ou diminuir a atividade, consoante a tensão. Para um produtor de hidrogénio, isto é importante quando a produção tem de aumentar. Um catalisador mais sensível à tensão poderá precisar de um aumento de tensão menor para acelerar, pelo que a sua sensibilidade importa tanto como a sua atividade de base. Para os investigadores, o ganho está numa forma de escolher formas de catalisador adequadas às condições em que um dispositivo vai efetivamente funcionar, e os investigadores afirmam que a abordagem poderia estender-se a outros eletrocatalisadores e reações. O trabalho até agora é de investigação laboratorial em placas metálicas, e o estudo não indica qualquer prazo para uso industrial.