Estudo analisa catalisadores constituídos de nanopartículas de cobre na transformação de monóxido de carbono em gás carbônico

Física | Pesquisa colabora para realização de catalisadores mais baratos e mais eficientes que reduzem os impactos ambientais

*Foto: Representação esquemática da evolução temporal da forma das nanopartículas de cobre
(esferas em cor bronze que evoluem para estruturas planares da mesma cor) durante ativação do catalisador.
Dessa forma, a interação entre a nanopartícula e o suporte (abaixo das nanopartículas com esferas brancas e vermelhas)
é realçada, trazendo benefícios para a reação catalítica/ Divulgação

O monóxido de carbono (CO) é um gás tóxico formado a partir da queima de matéria orgânica, como gasolina e vegetação. Antes de chegar na atmosfera, é preciso que ele seja eliminado e, para isso, é possível transformá-lo em gás carbônico através da oxidação, isto é, a reação dele com oxigênio. Para acelerar esse processo, usam-se catalisadores, que geralmente são constituídos de platina, paládio ou ródio, compostos caros e escassos. Em artigo publicado na revista Small – e destacado na capa do periódico –, pesquisadores dos institutos de Química e Física e do departamento de Engenharia Química da UFRGS avaliaram catalisadores constituídos de nanopartículas de cobre aplicadas na reação de oxidação de CO. Foi descoberto que é possível alterar a forma das nanopartículas de cobre previamente à reação catalítica, aumentando a eficiência do processo. 

A pesquisa iniciou no Trabalho de Conclusão de Curso e foi tema da dissertação de mestrado de Lívia Pugens Matte, atualmente doutoranda no Programa de Pós-graduação em Física da UFRGS. Com orientação do docente Fabiano Bernardi, diretor do Centro de Nanociência e Nanotecnologia (CNANO) e responsável pelo Laboratório de Física de Nanoestruturas do Instituto de Física da UFRGS, o estudo foi desenvolvido com o objetivo de buscar uma alternativa aos catalisadores utilizados atualmente. “A ideia original era aumentar a eficiência por conta da importância da reação catalítica e baratear [o processo]”, relata o pesquisador.

Catalisadores e nanopartículas

Um catalisador é um material que visa acelerar a reação catalítica, ou seja, é uma forma de transformar, de modo mais rápido, pelo menos duas moléculas em uma terceira. Uma classe especial de catalisadores é constituída por nanopartículas – partículas muito pequenas, de dimensões nanométricas, invisíveis a olho nu, que melhoram as propriedades catalisadoras. Segundo Fabiano, “a atividade, a performance, os resultados são muito melhores do que um sistema sem nanopartículas”. O pesquisador ressalta que a interação entre a nanopartícula e o suporte é muito importante para melhorar a atividade catalítica. 

O catalisador é uma nanopartícula que não está isolada, mas “suportada” por algo. Fabiano compara esse sistema com uma bola de tênis, que seria a nanopartícula, sobre uma mesa, que seria o que é chamado de suporte. “Do ponto de vista microscópico, o meu sistema são várias bolinhas de tênis de cobre, que é a nanopartícula, e um suporte de óxido de metal. Esse conjunto todo é o meu catalisador”, completa. 

Durante as análises, o grupo percebeu também que, depois de ativação da nanopartícula em uma atmosfera de hidrogênio, ela se espalha pela superfície e aumenta a área de interação entre os dois. “Isso é pioneiro, as pessoas nunca tinham visto isso acontecer. E, aumentando o contato, deve-se aumentar a reatividade catalítica e melhorar o catalisador”, explica.

Contribuição para o meio ambiente

A reação catalítica da oxidação do monóxido de carbono é muito importante também do ponto de vista ambiental, pois, se liberado em alta concentração na atmosfera, o CO contribui para o agravamento do efeito estufa. Em veículos automotivos, por exemplo, os exaustores possuem catalisadores que transformam o monóxido de carbono em dióxido de carbono (CO2), que é menos poluente. Esse processo também é aplicado em exaustores industriais, que são aparelhos usados para eliminar calor, impurezas, odores, gases e outras substâncias tóxicas de um ambiente. “As pessoas tentam transformar CO em CO2, e o motivo é que, em primeiro lugar, o CO é tóxico. Para o meio ambiente em específico, esse gás também está associado ao efeito estufa: quando o CO vai para a atmosfera, ele encontra radicais OH, que vêm da quebra da água. Ao combinar CO com OH indiretamente, se aumenta a concentração de metano na atmosfera.”

Fabiano complementa que o metano (CH4) é ainda mais prejudicial ao ambiente do que o dióxido de carbono. Como, porém, se tem mais dióxido de carbono na atmosfera, esse gás acaba gerando mais consequências no efeito estufa do que o metano. Por isso, os estudos que envolvam a busca por catalisadores mais baratos e mais eficientes são tão importantes.

Os próximos passos incluem dar seguimento ao trabalho e deixar os catalisadores cada vez melhores. “Certamente nesses trabalhos com reações catalíticas ou associadas a isso, a ideia é complementar esse novo método de ativação do catalisador, visando esse efeito para outros sistemas. E, claro, a melhora da performance dos catalisadores”, completa.