As reações químicas movidas a energia elétrica são essenciais para a produção de diversos produtos nas indústrias.
A fabricação de alumínio, tubos de PVC, sabão e papel depende dessas reações eletroquímicas, que também são essenciais para o funcionamento de baterias em dispositivos eletrônicos, carros, marca-passos e muito mais. Além disso, têm o potencial de revolucionar a produção sustentável de energia e a utilização de recursos.
O cobre e catalisadores semelhantes desempenham um papel crucial na condução dessas reações e são amplamente utilizados em aplicações eletroquímicas industriais. No entanto, a falta de compreensão sobre o comportamento dos catalisadores durante as reações tem dificultado o desenvolvimento de catalisadores melhorados. Até agora, os pesquisadores só conseguiram obter imagens dos catalisadores antes e depois das reações, deixando uma lacuna na compreensão dos processos que ocorrem entre elas.
Uma colaboração entre o California NanoSystems Institute da UCLA e o Lawrence Berkeley National Laboratory eliminou essa limitação. A equipe utilizou uma célula eletroquímica especialmente projetada para observar a estrutura atômica de um catalisador de cobre durante uma reação que decompõe o dióxido de carbono.
Este método representa um caminho potencial para a conversão do gás de efeito estufa em combustível ou outras substâncias valiosas. Os pesquisadores registraram casos de cobre formando massas líquidas e depois desaparecendo na superfície do catalisador, resultando em corrosão perceptível.
“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 coautor Pri Narang, professor de ciências físicas no UCLA College e membro do CNSI. “Agora temos a capacidade de observar o que está acontecendo no 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 deve fazer avançar a abordagem desses desafios.”
As descobertas na investigação sobre sustentabilidade têm implicações significativas, e a tecnologia que permite estas descobertas tem o potencial de melhorar a eficácia dos processos electroquímicos em várias aplicações que afectam a vida quotidiana.
De acordo com Yu Huang, coautor do estudo e professor dotado de Traugott e Dorothea Frederking e presidente do departamento de ciência e engenharia de materiais da UCLA Samueli, o estudo pode ajudar cientistas e engenheiros na transição de tentativa e erro para um catalisador mais sistemático. abordagem de projeto.
“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 da CNSI. “Sem essa informação, é como se estivéssemos lançando dardos com os olhos vendados e esperando acertar em algum lugar próximo ao alvo.”
O microscópio eletrônico de alta potência da Fundição Molecular do Berkeley Lab foi usado para capturar imagens. Este microscópio utiliza um feixe de elétrons para mergulhar em amostras com um nível de detalhe menor que o comprimento de uma onda de luz.
Desafios foram encontrados na microscopia eletrônica ao tentar descobrir a estrutura atômica de materiais em ambientes líquidos, como o banho eletrolítico salgado necessário para uma reação eletroquímica.
Adicionar eletricidade a uma amostra complica ainda mais o processo. Haimei Zheng, autora correspondente, cientista sênior do Berkeley Lab e professora adjunta da UC Berkeley, e seus colegas desenvolveram um dispositivo hermeticamente selado para superar esses obstáculos.
Os cientistas realizaram testes para garantir que o fluxo de eletricidade no sistema não impactasse a imagem resultante. Concentrando-se no local específico onde o catalisador de cobre encontrou o eletrólito líquido, a equipe registrou as mudanças que ocorreram durante aproximadamente quatro segundos.
Ao longo da reação, a estrutura do cobre passou de uma rede cristalina regular, comumente encontrada em metais, para uma massa irregular. Este feixe desordenado, composto de átomos de cobre e íons carregados positivamente junto com algumas moléculas de água, moveu-se então através da superfície do catalisador. Ao fazer isso, os átomos foram trocados entre o cobre regular e o irregular, resultando na corrosão da superfície do catalisador. Eventualmente, a massa irregular desapareceu.
“Nunca esperávamos que a superfície se tornasse amorfa e depois voltasse à estrutura cristalina”, disse o co-autor Yang Liu, um estudante de pós-graduação da UCLA no grupo de pesquisa de Huang. “Sem essa ferramenta especial de observação do sistema em funcionamento, jamais conseguiríamos captar 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.”
Referência do diário:
- Qiubo Zhang, Zhigang Song, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang, Yu Huang e Haimei Zheng. interfaces em TEM de célula líquida, 2024 DOI: 10.1038/s41586-024-07479-w;
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