Os catalisadores são utilizados em solução aquosa nas reações de oxidação. Fonte: Science Direct

Interessado em desenvolver diferentes tipos de nanometais híbridos, com características físico-químicas controladas, o professor do Departamento de Química Fundamental (integrante do Instituto de Química da USP), Pedro Camargo - em colaboração com o professor Leandro Andrade do mesmo instituto - produziu um catalisador otimizado híbrido de óxido de manganês e nanopartículas de ouro, um metal nobre.  

A pesquisa - publicada no artigo "MnO2 nanowires decorated with Au ultrasmall nanoparticles for the green oxidation of silanes and hydrogen production under ultralow loadings" -desenvolveu catalisadores feitos de nanofios de óxido de manganês, decorados com nanopartículas ultra pequenas de ouro. Os catalisadores são substâncias utilizadas por químicos para acelerar reações de interesse. “Muitas das propriedades espetaculares que as nanopartículas apresentam ocorrem devido à sua superfície, ou seja, à razão de superfície para volume. Isso porque, na superfície tem-se sítios insaturados de ligação com uma maior energia superficial, o que pode representar, por exemplo, locais mais ativos para catalisar um reação de interesse”, argumenta Camargo.  

A nanotecnologia é a utilização de materiais na escala nanométrica (que corresponde a um milionésimo de milímetro do metro), técnica muito utilizada no meio informático e cosmético, por exemplo. Assim, nanopartículas de ouro foram produzidas com o objetivo de terem suas atividades catalíticas aumentadas. Foram feitas partículas com tamanho entre 1 e 3 nm (nanômetros), isso pois, devido a esse tamanho, a já mencionada razão volume-superfície torna-se muito alta, o que colabora para uma alta atividade catalítica em comparação às nanopartículas convencionais.

A atividade catalítica dos nanofios de óxido de manganês decorados com as nanopartículas de ouro foi estudada e testada frente à reação de oxidação de hidrosilanos (mistura de sílica com hidrogênio), e descobriram-se três fatores que levam à elevada atividade catalítica desse híbrido. O primeiro deles é o fato de as nanopartículas de ouro ser monodispersas, isto é, do mesmo tamanho. Outro fator importante, é que essas partículas estão distribuídas no fio de maneira uniforme, evitando áreas de aglomeração, o que levaria a uma diminuição da superfície disponível e, assim sendo, a uma queda da atividade catalítica na reação de oxidação. O terceiro fator é a interação que ocorre entre o suporte (óxido de manganês) e o ouro, a qual gera sítios energicamente ativos. “Quando comparamos a atividade catalítica desse nosso material com outros sistemas reportados na literatura, obtivemos uma atividade que é muito superior à vários trabalhos nessa área, com esse metal, para essa mesma reação. Isso devido a esses três fatores: tamanho, dispersão e interação metal suporte”, acrescentou o químico.

Com a elevada atividade desse material, é possível usar uma quantidade menor dele nas reações de interesse, as chamadas “ultra low loadings”. A quantidade de ouro usada na reação de oxidação de hidrosilanos, por exemplo, é menor do que as relatadas na literatura da área, segundo o pesquisador. Consequentemente, com uma menor quantidade do catalisador necessária, e do ouro também, o custo dessas reações para as indústrias diminuí, o que revela o alto apelo econômico do híbrido.

Outro ponto importante é que, devido ao fato de ser um material robusto e ter as nanopartículas sustentadas, o catalisador pode ser usado em dez ciclos de produção industrial sem apresentar nenhuma perda em sua atividade.

A reação oxidativa

A reação de oxidação de hidrosilanos, utilizada na pesquisa para o estudo do catalisador, ocorre em solução. Ocupa-se um balão volumétrico com um solvente - água, por ter um apelo sustentável - e com os reagentes. Seguidamente, adiciona-se o sólido (catalisador) que fica em uma suspensão aquosa. Ocorre então uma reação de catálise heterogênea, uma vez que o catalisador e os reagentes estão em fases diferentes.

A oxidação desses materiais pode levar a formação de silanols (do grupo dos silanóis), que são importantes na produção de polímeros e outro materiais que contêm silício.

Os catalisadores na indústria

Os catalisadores são utilizados, principalmente, em processos de isomerização, craqueamento de petróleo, hidrogenação, alquilação, desidratação, oxidação e polimerização. Segundo o pesquisador, a maioria dos produtos químicos fabricados atualmente são resultados de reações com o auxílio de catalisadores. No Brasil, segundo dados do site da Associação Brasileira das Indústrias de Química Fina, Biotecnologia e suas Especialidades, realizando-se um comparativo entre os anos de 2012 e 2013, as importações de catalisadores subiram em cerca de US$116,5 milhões.