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English to Portuguese: Science Daily. Source: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210122112257.htm General field: Science Detailed field: Chemistry; Chem Sci/Eng
Source text - English Metals such as gold or platinum are often used as catalysts. In the catalytic converters of vehicles, for example, platinum nanoparticles convert poisonous carbon monoxide into non-toxic CO2. Because platinum and other catalytically active metals are expensive and rare, the nanoparticles involved have been made smaller and smaller over time.
"Single-atom" catalysts are the logical end point of this downsizing: The metal is no longer present as particles, but as individual atoms that are anchored on the surface of a cheaper support material. Individual atoms can no longer be described using the rules developed from larger pieces of metal, so the rules used to predict which metals will be good catalysts must be revamped -- this has now been achieved at TU Wien. As it turns out, single atom catalysts based on much cheaper materials might be even more effective. These results have now been published in the journal Science.
Smaller is sometimes better
Only the outer atoms of the piece of metal can play a role in chemical processes -- after all, the atoms inside never come into contact with the environment. In order to save material, it is therefore best to use tiny metal particles instead of large lumps, so that a greater proportion of the atoms reside at the surface. If we go to the ultimate limit and use individual atoms, every single atom is chemically active. Over the last decade the field of "single atom" catalysis has grown dramatically, achieving great success.
Wrong model, right solution
"The reasons why some precious metals are good catalysts was already researched in the 1970s," says Prof. Gareth Parkinson from the Institute for Applied Physics at TU Wien. "For example, Gerhard Ertl was awarded the Chemistry Nobel Prize in 2007 for providing atomic-scale insights into catalysis."
In a piece of metal, an electron can no longer be assigned to a specific atom; the electronic states result from the interaction of many atoms. "For individual atoms, the old models are no longer applicable" says Gareth Parkinson. "Individual atoms do not share electrons like a metal, so the electron bands, whose energy was key to explaining catalysis, simply do not exist in this case."
Gareth Parkinson and his team have therefore been intensively investigating the atomic mechanisms behind this single-atom catalysis in recent years. "In many cases the metals that we think of as good catalysts remain good catalysts in the form of individual atoms" says Gareth Parkinson. "In both cases it is the same electrons, the so-called d electrons, that are responsible for this."
Customized properties through tailored surfaces
Entirely new possibilities arise in single-atom catalysis that are not available when using ordinary metal particles: "Depending on the surface on which we place the metal atoms and which atomic bonds they form, we can change the reactivity of the atoms," explains Parkinson.
In some cases, particularly expensive metals like platinum are no longer necessarily the best choice. "Individual nickel atoms show great promise for carbon monoxide oxidation. If we understand the atomic mechanisms of single atom catalysis, we have a lot more leeway to influence the chemical processes," says Parkinson.
Eight different metals were precisely analyzed in this way at TU Wien -- the results fit perfectly with the theoretical models that have now been developed in a collaboration with Prof. Cesare Franchini at the University of Vienna.
"Catalysts are very important in many areas, especially when it comes to chemical reactions that play a major role in attempts to develop a renewable energy economy," emphasizes Gareth Parkinson. "Our new approach shows that it doesn't always have to be platinum." The decisive factor is the local environment of the atoms -- and if you choose it correctly, you can develop better catalysts and at the same time save resources and costs.
Translation - Portuguese Metais como ouro ou platina são utilizados frequentemente como catalisadores. Em conversores catalíticos de veículos por exemplo, nanopartículas de platina convertem o monóxido de carbono tóxico em CO2 não tóxico. Devido a platina e outros metais catalisadores serem caros e escassos, as nanopartículas envolvidas foram diminuindo ao passar do tempo.
O ponto final lógico dessa diminuição são os catalisadores de "átomo único": O metal não está mais presente como partículas, e sim como átomos individuais que estão ancorados na superfície de um material de suporte mais barato. Átomos individuais não podem ser mais descritos utilizando as regras desenvolvidas de fragmentos maiores de metal, logo as regras que são utilizadas para prever quais metais serão bons catalisadores deverão ser renovadas -- e isso está sendo realizado na Universidade Técnica de Viena. E mais ainda, catalisadores átomo único baseados em materiais mais baratos talvez sejam ainda mais efetivos. Esses resultados foram publicados na revista Science.
O menor as vezes é melhor
Somente os átomos que estão fora do fragmento de metal fazem parte do processo químico -- afinal, os átomos que estão dentro nunca entram em contato com o ambiente. Consequentemente é melhor usar fragmentos pequenos de metal ao invés de grandes fragmentos no intuito de economizar materiais, assim irão permanecer na superfície uma maior proporção de átomos. Se formos ao limite e utilizar átomos individuais, cada átomo único é quimicamente ativo. Durante a última década, o campo de estudos sobre a catalise em "átomo único" cresceu dramaticamente, conquistando grande sucesso.
Modelo errado, solução certa
"As razões porque alguns metais preciosos são bons catalisadores já foram pesquisadas na década de 1970", disse o Prof. Gareth Parkinson do Instituto de Física Aplicada na Universidade Técnica de Viena. "Por exemplo, Gerhard Ertl recebeu o Prêmio Nobel de Química em 2007 por fornecer ideias para catalisação em escala atômica."
Em um fragmento de metal, um elétron não pode mais se associar a um átomo específico; a interação de vários átomos resulta no estado eletrônico. "Para átomos individuais, os modelos velhos não são mais aplicáveis" disse Gareth Parkinson. "Átomos Individuais não compartilham elétrons como um metal, então as bandas eletrônicas, cuja energia era a chave para explicar a catalise, simplesmente não existem nesse caso."
Gareth Parkinson e sua equipe estiveram investigando intensivamente nos últimos anos, os mecanismos atômicos por trás da catalise em átomo único. "Em muitos casos, os metais que achamos serem bons catalisadores permanecem bons catalisadores na forma de átomos individuais" disse Gareth Parkinson. "Nos dois casos, são os mesmo elétrons, os chamados elétrons d, que são responsáveis por isso.
Propriedades customizadas mediante superfícies adequadas
Possibilidades completamente novas se formam da catalise em átomo único, das quais não estão disponíveis quando utilizado partículas de metais comuns: "Nós podemos mudar a reatividade dos átomos, dependendo da superfície na qual colocamos os átomos de metal e quais ligações atômicas eles formam", explica Parkinson.
Em alguns casos, metais particularmente caros como a platina deixam de ser necessariamente a melhor escolha. "Átomos individuais de níquel apresentam uma grande promessa na oxidação de monóxido de carbono, se nós entendermos os mecanismos atômicos da catalise de átomo único, nós teremos muito mais facilidade para influenciar os processos químicos," disse Parkinson.
8 metais diferentes são analisados precisamente dessa forma na Universidade Técnica de Viena. -- os resultados se encaixam perfeitamente em modelos teóricos que estão agora sendo desenvolvidos em colaboração com Prof. Cesare Franchini na Universidade de Vienna.
"Catalisadores são muito importantes em várias áreas, especialmente quando se trata de reações químicas que possuem importância na tentativa de desenvolver uma economia baseada em energia renovável", enfatiza Gareth Parkinson. "Nossa nova abordagem mostra que a platina nem sempre é a mais conveniente." O fator decisivo é o ambiente local dos átomos -- e se você escolher corretamente, poderá desenvolver catalisadores melhores e ao mesmo tempo poupar recursos e custos.
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