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A visão atômica de um catalisador químico durante uma reação eletricamente carregada é uma inovação científica

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Jun 23, 2024
Laboratório Nacional Qiubo Zhang/Lawrence Berkeley À esquerda, uma seta vermelha rastreia um

Laboratório Nacional Qiubo Zhang/Lawrence Berkeley À esquerda, uma seta vermelha rastreia o movimento de um átomo de cobre individual durante uma reação eletroquímica. À direita, as setas amarelas apontam para buracos deixados na superfície do catalisador.

Ciência + Tecnologia

As descobertas podem permitir avanços na produção, indústria e design de energia sustentável

Principais conclusões

  • As reações químicas estimuladas pela eletricidade estão por trás de produtos essenciais para a vida quotidiana e espera-se que desempenhem um papel na criação de combustíveis sustentáveis ​​derivados do dióxido de carbono.
  • Uma tecnologia recentemente desenvolvida para visualizar reações eletroquímicas em nível atômico permitiu que pesquisadores liderados pela UCLA e pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley observassem pela primeira vez um catalisador durante uma reação eletroquímica.
  • Eles descobriram que a estrutura ordenada na superfície do catalisador de cobre se transformou brevemente em uma massa amorfa.

Ao nosso redor existem produtos que dependem de reações químicas auxiliadas pela eletricidade.

Essas reações eletroquímicas estão envolvidas na fabricação de tudo, desde tubos de alumínio e PVC até sabão e papel. Eles acontecem dentro das baterias que alimentam eletrônicos, automóveis, marca-passos e muito mais. E podem ser a chave para a produção sustentável de energia e de outros recursos dos quais a sociedade depende.

Catalisadores como o cobre ajudam a impulsionar reações, por isso são usados ​​na grande maioria das aplicações industriais de eletroquímica. Os esforços para desenvolver melhores catalisadores têm sido dificultados porque o que acontece com estes catalisadores durante as reações é pouco compreendido. Até agora, a imagem atómica dos catalisadores só podia acontecer antes e depois das reações, deixando aos investigadores a tarefa de descobrir o que ocorria entre elas.

Essa limitação desapareceu graças a uma colaboração entre o California NanoSystems Institute da UCLA e o Lawrence Berkeley National Laboratory. Num novo estudo publicado na revista Nature, a equipe usou uma célula eletroquímica especialmente projetada para visualizar os detalhes atômicos de um catalisador de cobre durante uma reação que decompõe o dióxido de carbono – uma rota potencial para reciclar o gás de efeito estufa em combustível ou outras substâncias úteis. . Os cientistas documentaram massas de cobre semelhantes a líquidos aparecendo e desaparecendo na superfície do catalisador, deixando-o sem corrosão.

“Para algo que está presente em todas as nossas vidas, na verdade entendemos muito pouco sobre como os catalisadores funcionam em tempo real”, disse o co-autor Pri Narang, professor de ciências físicas no UCLA College e membro do CNSI. “Agora temos a capacidade de observar o que está acontecendo em nível atômico e entendê-lo de um ponto de vista teórico.

“Todos se beneficiariam se transformasse o dióxido de carbono diretamente em combustível, mas como fazemos isso, e de maneira barata, confiável e em grande escala?” acrescentou Narang, que também possui um cargo em engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia UCLA Samueli. “Este é o tipo de ciência fundamental que deveria mover a agulha na abordagem desses desafios”.

Para além das implicações para a investigação em sustentabilidade, estas descobertas – e a tecnologia que as torna possíveis – poderiam aumentar a eficiência dos processos electroquímicos para inúmeras aplicações que têm impacto na vida quotidiana. O estudo pode ajudar cientistas e engenheiros a avançar em direção ao projeto racional de catalisadores, em vez de tentativa e erro, de acordo com o coautor Yu Huang, professor dotado de Traugott e Dorothea Frederking e presidente do departamento de ciência e engenharia de materiais da UCLA Samueli.

“Qualquer informação que possamos obter sobre o que realmente acontece na eletrocatálise é uma ajuda tremenda em nossa compreensão fundamental e na busca por projetos práticos”, disse Huang, que é membro do CNSI. “Sem essa informação, é como se estivéssemos lançando dardos com os olhos vendados e esperando acertar em algum lugar próximo ao alvo.”

As imagens foram capturadas na Fundição Molecular do Berkeley Lab com um microscópio eletrônico de alta potência. Este tipo de microscópio usa um feixe de elétrons para ver o interior das amostras com um nível de detalhe menor que o comprimento de uma onda de luz.

A microscopia eletrônica encontrou obstáculos que revelam a estrutura atômica dos materiais que trabalham em líquidos – como o banho eletrolítico salgado necessário para uma reação eletroquímica. Fazer passar eletricidade através de uma amostra acrescenta um grau adicional de dificuldade. A autora correspondente Haimei Zheng, cientista sênior do Berkeley Lab e professora adjunta da UC Berkeley, e seus colegas criaram um dispositivo hermeticamente selado que supera esses obstáculos.

Os pesquisadores realizaram experimentos para eliminar a chance de a eletricidade que atravessa o sistema afetar a imagem resultante. Concentrando-se no local onde o catalisador de cobre encontrava o eletrólito líquido, a equipe capturou mudanças que ocorreram durante cerca de quatro segundos.

Durante a reação, a estrutura do cobre mudou de uma rede cristalina ordenada, normalmente vista em metais, para uma massa amorfa. Esse feixe desordenado, contendo átomos e íons de cobre carregados positivamente, além de algumas moléculas de água, fluiu então sobre a superfície do catalisador. Ao fazer isso, os átomos trocaram entre o cobre ordenado e o desordenado, deixando a superfície do catalisador furada. Finalmente, a massa amorfa desapareceu.

“Nunca esperávamos que a superfície se tornasse amorfa e depois voltasse à estrutura cristalina”, disse o coautor Yang Liu, estudante de pós-graduação da UCLA no grupo de pesquisa de Huang. “Sem esta ferramenta especial para observar o sistema em operação, nunca seríamos capazes de capturar aquele momento. O avanço de ferramentas de caracterização como esta permite novas descobertas fundamentais, ajudando-nos a compreender como os materiais funcionam em condições realistas.”

Os co-autores do estudo são Qiubo Zhang e Xianhu Sun, do Berkeley Lab, e Zhigang Song, membro do grupo de pesquisa de Narang, baseado na Universidade de Harvard. Outros coautores do Berkeley Lab são Sophia Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen Bustillo e Peter Ercius, bem como Jiawei Wan, que também é afiliado à UC Berkeley.

O Departamento de Energia forneceu financiamento para este estudo, bem como para a Fundição Molecular do Laboratório Berkeley.

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