Novos materiais aumentarão eficiência de catalisadores

Nanoestruturas metálicas potencializam catalisadores que realizam processos químicos em indústrias e laboratórios

No Instituto de Química (IQ) da USP, cientistas estão testando novos materiais para serem usados como catalisadores de diferentes reações químicas utilizadas em laboratórios e indústrias, para obter combustíveis, produtos farmacêuticos e agroquímicos, entre outros. A partir da produção controlada de nanoestruturas metálicas vazias, invisíveis a olho nu, ocas por dentro e muito mais finas que um fio de cabelo, foi possível aumentar a superfície de contato destes materiais, que são responsáveis por provocar as reações químicas que acontecem nos catalisadores, aumentando sua eficiência e a produtividade das indústrias. O trabalho do químico Thenner Silva Rodrigues, orientado pelo professor Pedro Henrique Cury Camargo, recebeu o Prêmio Tese Destaque USP 2019, na área de Ciências Exatas e da Terra.

A utilização de catalisadores é uma realidade para cerca de 90% dos processos químicos atuais, destacando-se a grande aplicabilidade em setores da indústria, como petroquímica, farmacêutica e agroquímica, entre outros. “Os catalisadores podem ser suportados, constituídos por um sólido que incorpora os componentes capazes de catalisar reações químicas, como as nanopartículas, ou não suportados, em que as nanopartículas ficam ‘livres’ ou dispersas em um líquido”, relata o químico. “A fase ativa de um catalisador é o componente químico que permitirá a reação química de interesse, geralmente incorporada em baixos teores (até 5%).”


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Um exemplo de processo catalítico industrial é a síntese do ácido nítrico (HNO3), um insumo indispensável na fabricação de fertilizantes no mundo inteiro. “Neste processo, a amônia é convertida em ácido nítrico através de uma série de etapas, dentre as quais está a utilização de um catalisador com fase ativa à base de platina-ródio, responsável pela transformação da amônia (NH3) em óxido de nitrogênio (NO)”, afirma o pesquisador.

Em muitas transformações químicas, as fases ativas são metais nobres, como platina, ouro, paládio, devido às elevadas atividades, seletividades e estabilidades destes metais. “No entanto, metais não nobres como cobre, níquel e cobalto também são utilizados”, afirma Silva Rodrigues. “Nanoestruturas metálicas vazias podem ser descritas como nanomateriais à base de metais que exibem interiores ocos ou vazios, isto é, eles são ocos por dentro, como uma casca. Como exemplos destes nanomateriais podemos citar nanocascas, nanotubos, nanodendritos, dentre outros.”

No cenário industrial atual, a produção de catalisadores é caracterizada por processos simples ou rudimentares. “Em muitos casos, eles são preparados através da impregnação da fase ativa sobre o suporte”, aponta o químico. “Isso é feito, por exemplo, por meio da mistura do suporte com a fase ativa dissolvida em água, que é agitada e aquecida até secar.” Ao final, o sólido obtido é aquecido a altas temperaturas, formando estruturas em nanoescala, mas com pouco controle sobre suas propriedades físico-químicas, o que comprometerá a eficiência do catalisador.

Esquema da utilização de nanomaterial metálico vazio como catalisador da transformação dos compostos A e B, quando entram em contato com o material, no composto C – Imagem: Cedida pelo pesquisador

Vantagens

A pesquisa procurou estabelecer uma correlação precisa entre as atividades catalíticas dos nanomateriais e seus parâmetros físico-químicos, como tamanho, forma e composição, de modo a permitir um controle maior sobre a preparação dos catalisadores e que resulte na melhoria de seu funcionamento. “A pesquisa desenvolveu materiais vazios com dimensões na faixa de aproximadamente 30 a 300 nanômetros. Desta forma, tais materiais não são visíveis a olho nu e sim em microscópios eletrônicos”, relata Silva Rodrigues. “Para efeito de comparação, um fio de cabelo humano geralmente mede de 60 a 120 micrômetros de diâmetro. Assim, as partículas que desenvolvemos são cerca de mais de 4 mil vezes menores que um fio de cabelo.”

De acordo com o químico, a diminuição progressiva de tamanho das nanoestruturas aumenta sua área de superfície e, em consequência, o número de átomos expostos. “A redução do tamanho é uma ferramenta para maximizar a exposição atômica e, assim, aprimorar o desempenho catalítico”, destaca. “Desse modo, os nanomateriais apresentam propriedades especiais e únicas, como alta estabilidade química e térmica, alta área superficial, alta porosidade, baixa densidade, peso mais leve, alta reatividade e biocompatibilidade.”

Os nanomateriais têm sido extensivamente investigados em diversas aplicações que incluem catálise, como catálise heterogênea convencional (conversão de biomassa, síntese de combustíveis, degradação de poluentes), fotocatálise e catálise plasmônica (síntese de corantes e moléculas de interesse farmacológico), além da eletrocatálise (células e eletrodetecção de moléculas). “Esses materiais também são estudados na produção e armazenamento de energia, medicina (entrega de medicamentos, tratamentos fotoassistidos e térmicos, etc.), espectroscopia Raman (SERS), encapsulamento, proteção de espécies biológicas ambientalmente sensíveis, entre outras aplicações.”

Produzidas à base de metais, nanoestruturas metálicas vazias exibem interiores ocos ou vazios, isto é,  são ocos por dentro, como uma casca. Entre eles, estão as nanocascas, nanotubos e nanodendritos – Imagem: Cedida pelo pesquisador

O químico aponta que a pesquisa de nanomateriais como catalisadores é relativamente recente e ainda não há relatos da aplicação deles em plantas industriais. “A maioria dos estudos conhecidos relatam a produção de, no máximo, centenas de miligramas de catalisadores (em baixos níveis de fase ativa), o que inviabiliza a aplicação destes sistemas em escalas piloto e industriais”, relata. “No entanto, devido às suas propriedades únicas e promissoras, a utilização de nanomateriais pode ser uma realidade na indústria nos próximos anos.”

O estudo é descrito na tese de doutorado Nanoestruturas metálicas vazias como a fase ativa em catalisadores suportados e não suportados: otimizando performances através da síntese controlada, defendida em 23 de março de 2017 e orientada pelo professor Pedro Henrique Cury Camargo. A pesquisa teve a colaboração dos professores Humberto Fajardo, da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), José Mansur Assaf, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Luiz Probst, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Róbson Teixeira, da Universidade Federal de Viçosa (UFV) e Adalberto da Silva, do Instituto Federal Catarinense (IFC), em Araquari (Santa Catarina).

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