Equipa da Universidade de Nottingham descobre que separação metálica a nível atómico aumenta a atividade catalítica na produção de hidrogénio

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipa de investigação internacional liderada pela Universidade de Nottingham, no Reino Unido, observou em tempo real, à escala atómica, o fenómeno reversível de separação metálica em nanopartículas de platina-níquel, e verificou que esta estrutura dinâmica apresenta elevada atividade catalítica na produção de hidrogénio por eletrólise da água. A equipa preparou nanopartículas contendo apenas dezenas de átomos de platina e níquel e, através de microscopia eletrónica de alta resolução, descobriu que, quando os dois metais se separam mantendo uma interface a nível atómico, a eficiência do catalisador na reação de evolução de hidrogénio aumenta significativamente.

A termodinâmica tradicional sugere que sistemas de ligas homogeneamente misturadas tendem a manter um estado uniforme, tal como o café e o leite, uma vez misturados, não se separam espontaneamente. No entanto, este estudo contraria essa expectativa. O Dr. Emerson Kohlrausch, que liderou o trabalho experimental na Escola de Química da Universidade de Nottingham, afirmou: "Inicialmente, ao observarmos as nanopartículas de platina-níquel ao microscópio eletrónico, vimos os dois tipos de átomos misturados, como seria de esperar numa liga. No entanto, após apenas alguns segundos, os dois metais começaram a separar-se diante dos nossos olhos. Foi uma observação surpreendente, pois parecia violar o comportamento termodinâmico tradicional."

Este fenómeno resulta do feixe de eletrões rápido que transfere parte da sua energia para os átomos da amostra, estimulando a sua reorganização dentro da partícula, levando à separação metálica no composto intermetálico de platina-níquel. Uma vez separado do níquel, a platina capta átomos de oxigénio do ambiente, formando um óxido. O Professor Andrei Khlobystov, professor de nanomateriais na Universidade de Nottingham, explicou: "Isto cria nanopartículas compostas por duas metades — platina metálica e óxido de níquel — separadas por uma interface definida a nível atómico. Criámos um novo tipo de partículas híbridas e observámos a sua formação em tempo real, algo nunca antes alcançado."

Para rastrear com precisão a posição de cada átomo, o projeto SALVE da Universidade de Ulm, na Alemanha, forneceu um microscópio único. A Professora Ute Kaiser, que liderou o projeto, afirmou: "Criar condições que permitam rastrear a posição de cada átomo é crucial. Para tal, utilizámos o material mais fino possível para suportar as nanopartículas — folhas de grafeno — e controlámos cuidadosamente a energia e o fluxo do feixe de eletrões."

Notavelmente, o processo de separação metálica é reversível e repetível — alterando as condições, os metais podem misturar-se novamente na liga. O Dr. Emerson Kohlrausch acrescentou: "Estas partículas não se comportam como objetos sólidos rígidos, mas sim como organismos vivos, reagindo ao ambiente. Isto inspira-nos a utilizar a sua dinâmica para catálise."

Em experiências catalíticas subsequentes, a equipa explorou a produção de hidrogénio por eletrólise da água utilizando nanopartículas de platina-níquel. O Dr. Jesum Alves Fernandes, da Escola de Química da Universidade de Nottingham, explicou: "O que torna estas partículas tão eficazes é a cooperação entre os dois materiais após a separação. A platina e o óxido de níquel desempenham papéis distintos na eletrólise da água, e a fronteira atómica partilhada permite uma cooperação máxima entre eles." Este efeito sinérgico torna o material um dos catalisadores mais eficientes para a eletrólise da água.

O estudo foi realizado em colaboração entre a Universidade de Nottingham, a Universidade de Birmingham, a Diamond Light Source e a Universidade de Ulm, na Alemanha, e os resultados foram publicados na revista Advanced Materials. Além da produção de hidrogénio, estas descobertas podem ter implicações importantes no design de catalisadores para conversão de energia, fabrico químico e processos industriais sustentáveis no futuro.