Development of nanocrystalline Sr12Al14O33 and Ca12Al14O33 soot oxidation catalysts

Sempre que um motor a diesel funciona, ele deixa para trás um rastro de minúsculas partículas de carbono preto conhecidas como fuligem. Essas partículas são mais do que apenas um incômodo; elas são um risco significativo à saúde e um grande poluente ambiental. Para manter nosso ar limpo, os veículos modernos usam uma combinação de filtros e catalisadores para queimar essa fuligem antes que ela escape para a atmosfera. Os catalisadores atuam como uma centelha química, ajudando o carbono a reagir com o oxigênio em temperaturas mais baixas do que faria por conta própria. Durante décadas, os cientistas confiaram em metais preciosos caros, como a platina, para realizar esse trabalho, mas o alto custo e a oferta limitada desses metais levaram os pesquisadores a buscar alternativas mais baratas e abundantes. O desafio é encontrar um material que seja não apenas acessível, mas que também possua a capacidade química específica de agarrar o oxigênio e entregá-lo à fuligem de forma eficiente.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Boreskov de Catálise, na Rússia, tem trabalhado em uma solução que envolve uma família de materiais chamada mayenita. Estes são misturas complexas de cálcio, alumínio e oxigênio que possuem uma estrutura única, semelhante a uma gaiola. Dentro dessas gaiolas microscópicas, o material pode reter formas especiais de oxigênio que são altamente reativas. Pense nesses átomos de oxigênio aprisionados como estando em um estado de alta prontidão, ansiosos para saltar e reagir com outras substâncias. Embora os cientistas conheçam esses materiais há muito tempo, eles têm sido difíceis de usar em aplicações práticas porque os métodos tradicionais de fabricação exigem calor extremamente alto. Esse calor intenso faz com que o material se aglomere em grandes blocos sólidos com pouquíssima área de superfície, tornando-o ineficaz como catalisador. O objetivo deste novo estudo era encontrar uma maneira de criar esses materiais em uma forma finamente dividida e porosa usando condições muito mais suaves, e verificar se uma versão de evenita baseada em estrôncio poderia funcionar ainda melhor do que a tradicional versão baseada em cálcio.

Os pesquisadores testaram diversas maneiras diferentes de construir esses materiais, começando com métodos que envolviam moer vários pós químicos ou misturá-los em soluções líquidas. Eles tentaram aquecer essas misturas a temperaturas variando de moderadas a muito altas. No entanto, a maioria dessas abordagens falhou em produzir o resultado desejado. As misturas ou não formaram a estrutura cristalina correta em temperaturas mais baixas, ou formaram a estrutura correta, mas apenas como grandes aglomerados densos com quase nenhuma área de superfície quando aquecidas às temperaturas necessárias. Um método, que envolvia a mistura de nitratos metálicos com ácidos orgânicos, provou ser particularmente difícil porque tendia a criar compostos de carbonato indesejados em vez do material alvo. A equipe descobriu que a abordagem mais bem-sucedida foi surpreendentemente simples: eles pegaram óxido de cálcio ou óxido de estrôncio recém-fabricados e os misturaram com uma suspensão de hidróxido de alumínio em água. Essa reação criou uma pasta úmida que, ao ser seca e aquecida a uma temperatura relativamente baixa de 600 graus Celsius, transformou-se na estrutura de evenita nanocristalina desejada.

Os materiais resultantes foram notavelmente diferentes daqueles feitos pelos métodos antigos. Em vez de serem densos e inertes, essas novas amostras eram porosas e possuíam uma vasta área de superfície interna, com a versão de cálcio atingindo 80 metros quadrados por grama e a versão de estrôncio atingindo 68 metros quadrados por grama. Essa alta área de superfície é crucial porque fornece mais espaço para que as reações químicas ocorram. Para entender o que estava acontecendo dentro desses materiais, os cientistas usaram uma técnica chamada ressonância paramagnética eletrônica, que atua como um detector sensível para elétrons desemparelhados. Eles descobriram que, após aquecer as amostras no ar, as superfícies estavam povoadas com radicais de oxigênio ativos. Estes são átomos de oxigênio que possuem um elétron extra, tornando-os altamente instáveis e ansiosos para reagir. A amostra baseada em estrônio apresentou uma concentração ainda maior desses radicais ativos do que a versão de cálcio, sugerindo que as gaiolas maiores na estrutura de estrôncio permitiram que o oxigênio se movesse mais livremente e se tornasse mais ativo.

O verdadeiro teste desses materiais ocorreu quando os pesquisadores os utilizaram para queimar a fuligem do diesel. Eles misturaram uma pequena quantidade do catalisador com a fuligem de diesel e aqueceram a mistura em um fluxo de ar, medindo a temperatura na qual o monóxido de carbono começou a ser liberado como um sinal da queima da fuligem. Um material de óxido de alumínio padrão, usado como linha de base, exigiu uma temperatura de 620 graus Celsius para iniciar este processo. Em contraste, o catalisador baseado em cálcio começou a trabalhar a 320 graus e atingiu seu pico de atividade a 480 graus. O catalisador baseado em estrôncio teve um desempenho ainda melhor, começando a reagir a apenas 280 graus e atingindo o pico a 440 graus. Essa queda significativa de temperatura significa que o catalisador é muito mais eficiente na limpeza dos gases de escape. Os pesquisadores observaram que o desempenho superior da amostra de estrôncio provavelmente decorre de sua estrutura cristalina mais larga, que permite que as espécies de oxigênio ativo se movam mais facilmente e alcancem as partículas de fuligem mais rapidamente.

Este estudo demonstra que é possível criar catalisadores de oxidação de fuligem altamente eficazes sem utilizar metais nobres caros. Ao encontrar uma maneira simples de sintetizar esses materiais em temperaturas moderadas, os pesquisadores abriram as portas para o uso da evenita nanocristalina e de seu análogo de estrôncio como ferramentas práticas para a proteção ambiental. A versão de estrôncio, em particular, destaca-se como uma candidata promissora para aplicações futuras, ofereando uma maneira econômica e poderosa de reduzir as emissões nocivas de motores a diesel. O trabalho confirma que a capacidade única desses materiais de hospedar e mobilizar espécies de oxigênio reativas os torna ideais para enfrentar o problema persistente da poluição por fuligem.