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Uma nova camada protetora desenvolvida por pesquisadores melhora a durabilidade dos catalisadores de ouro, expandindo potencialmente suas aplicações industriais e eficiência. Crédito: SciTechDaily.com
Uma camada protetora aplicada às nanopartículas de ouro pode aumentar a sua resiliência.
Pela primeira vez, pesquisadores, incluindo os da Universidade de Tóquio, descobriram uma maneira de melhorar a durabilidade dos catalisadores de ouro, criando uma camada protetora de aglomerados de óxido metálico. Os catalisadores de ouro aprimorados podem suportar uma variedade maior de ambientes físicos em comparação com materiais equivalentes desprotegidos.
Isto poderia aumentar a sua gama de aplicações possíveis, bem como reduzir o consumo de energia e os custos em algumas situações. Estes catalisadores são amplamente utilizados em ambientes industriais, incluindo a síntese química e a produção de medicamentos. Estas indústrias poderiam beneficiar de catalisadores de ouro melhorados.
O apelo único do ouro
Todo mundo adora ouro: atletas, piratas, banqueiros – todo mundo. Historicamente, tem sido um metal atraente para fabricar coisas, como medalhas, joias, moedas e assim por diante.
A razão pela qual o ouro parece tão brilhante e atraente para nós é que ele é quimicamente resistente a condições físicas que poderiam manchar outros materiais, por exemplo, calor, pressão, oxidação e outros danos.
Paradoxalmente, porém, em escala nanoscópica, minúsculas partículas de ouro invertem essa tendência e tornam-se muito reativas, tanto que há muito tempo são essenciais para a realização de diferentes tipos de catalisadores, substâncias intermediárias que aceleram ou de alguma forma permitem uma reação química ocorra. Em outras palavras, são úteis ou necessários para transformar uma substância em outra, daí seu uso generalizado na síntese e na fabricação.
A proteção com tiol e polímero orgânico são duas formas existentes de adicionar resiliência às nanopartículas de ouro. À direita está uma representação do novo método dos pesquisadores usando polioxometalato. Crédito: ©2024 Suzuki et al.
A inovação por trás dos catalisadores de ouro aprimorados
“O ouro é um metal maravilhoso e é justamente elogiado na sociedade, e especialmente na ciência”, disse o professor associado Kosuke Suzuki, do Departamento de Química Aplicada da Universidade de Tóquio.
“É ótimo para catalisadores e pode nos ajudar a sintetizar uma série de coisas, inclusive medicamentos. As razões para isto são que o ouro tem uma baixa afinidade para absorver moléculas e também é altamente selectivo quanto ao que se liga, permitindo um controlo muito preciso dos processos de síntese química. Os catalisadores de ouro geralmente operam em temperaturas e pressões mais baixas em comparação aos catalisadores tradicionais, exigindo menos energia e reduzindo o impacto ambiental.”
Imagem de resolução atômica da nova nanopartícula dos pesquisadores feita usando uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular. Crédito: ©2024 Suzuki et al.
Por melhor que seja o ouro, ele tem algumas desvantagens. Torna-se mais reativo à medida que são feitas partículas menores, e chega um ponto em que um catalisador feito com ouro pode começar a sofrer negativamente com calor, pressão, corrosão, oxidação e outras condições. Suzuki e sua equipe pensaram que poderiam melhorar essa situação e desenvolveram um novo agente protetor que poderia permitir que um catalisador de ouro mantivesse suas funções úteis, mas em uma gama maior de condições físicas que geralmente dificultam ou destroem um catalisador de ouro típico.
“As atuais nanopartículas de ouro utilizadas em catalisadores possuem algum nível de proteção, graças a agentes como dodecanotióis e polímeros orgânicos. Mas o nosso novo é baseado em um aglomerado de óxidos metálicos chamados polioxometalatos e oferece resultados muito superiores, especialmente no que diz respeito ao estresse oxidativo”, disse Suzuki.
“Atualmente estamos investigando as novas estruturas e aplicações dos polioxometalatos. Desta vez aplicamos os polioxometalatos às nanopartículas de ouro e verificamos que os polioxometalatos melhoram a durabilidade das nanopartículas. O verdadeiro desafio foi aplicar uma ampla gama de técnicas analíticas para testar e verificar tudo isso.”
Uma abordagem analítica abrangente
A equipe usou uma variedade de técnicas conhecidas coletivamente como espectroscopia. Empregou nada menos que seis métodos espectroscópicos que variam nos tipos de informação que revelam sobre um material e seu comportamento. Mas, de modo geral, eles funcionam lançando algum tipo de luz sobre uma substância e medindo como essa luz muda de alguma forma com sensores especializados. Suzuki e sua equipe passaram meses realizando vários testes e diferentes configurações de seu material experimental até encontrarem o que procuravam.
Direções Futuras e Benefícios Sociais
“Não somos motivados apenas por tentar melhorar alguns métodos de síntese química. Existem muitas aplicações de nossas nanopartículas de ouro aprimoradas que poderiam ser usadas para beneficiar a sociedade”, disse Suzuki.
“Catalisadores para decompor a poluição (muitos carros a gasolina já possuem um conversor catalítico familiar), pesticidas menos impactantes, química verde para energias renováveis, intervenções médicas, sensores para agentes patogénicos de origem alimentar, a lista continua. Mas também queremos ir mais longe.
“Nossos próximos passos serão melhorar a gama de condições físicas às quais podemos tornar as nanopartículas de ouro mais resistentes e também ver como podemos adicionar alguma durabilidade a outros metais catalíticos úteis, como rutênio, ródio, rênio e, claro, algo que as pessoas valorizam. ainda mais alto que o ouro: platina.”
Referência: “Catalisadores de nanopartículas de ouro coloidal ultraestáveis e altamente reativos protegidos usando nanoaglomerados de óxido metálico multidentados” por Kang Xia, Takafumi Yatabe, Kentaro Yonesato, Soichi Kikkawa, Seiji Yamazoe, Ayako Nakata, Ryo Ishikawa, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara, Kazuya Yamaguchi e Kosuke Suzuki, 6 de fevereiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-45066-9
O estudo contou com apoio financeiro de JST FOREST (JPMJFR213M para KS, JPMJFR2033 para RI), JST PRESTO (JPMJPR18T7 para KS, JPMJPR19T9 para SY, JPMJPR20T4 para AN, JPMJPR227A para TY), JSPS KAKENHI (22H04971 para K.Ya) e o Programa JSPS núcleo a núcleo. As medições XAFS foram realizadas em Primavera-8 com a aprovação do Japan Synchrotron Radiation Research Institute (números de proposta: 2023A1732, 2023A1554, 2022B1860, 2022B1684). Uma parte deste trabalho foi apoiada pela Infraestrutura de Pesquisa Avançada para Materiais e Nanotecnologia no Japão (ARIM) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT), número de concessão JPMXP1222UT0184 e JPMXP1223UT0029.