Pesquisa da CMSC investigou interface entre nanoclusters de metais de transição e óxidos metálicos

Estudo realizado pela divisão de Ciência Computacional de Materiais e Química (CMSC) do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) e publicado recentemente contribui com a compreensão da formação de interfaces entre nanoclusters de metais de transição e óxidos metálicos nanoestruturados. Os resultados configuram passo importante na direção do uso desses materiais como catalisadores em diferentes aplicações relevantes à transição energética para um modelo sustentável e, assim, ao enfrentamento de problemas ambientais centrais na sociedade contemporânea. Células a combustível e dispositivos voltados à conversão de CO2 em produtos de alto valor agregado são exemplos de aplicações que ainda dependem do desenvolvimento de catalisadores mais eficientes para uso em larga escala.

Partículas de metais de transição dispersas sobre suportes nanoestruturados, por exemplo, formam uma combinação comumente usada para catálise em diversas aplicações. Esses dispositivos apresentam um grande número de variáveis passíveis de serem ajustadas, favorecendo o design de catalisadores com alta eficiência e seletividade 

para reações químicas específicas. Essa otimização, no entanto, é especialmente desafiadora quando se está lidando com clusters metálicos na escala subnanométrica, em que cada átomo conta e, assim, é possível esperar atividade catalítica completamente diferente como resultado da adição ou remoção de um único átomo do cluster.

O profundo conhecimento atomístico dos materiais utilizados é de grande relevância para guiar a busca por esses materiais otimizados. Neste sentido, o estudo da CMSC, usando cálculos baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), buscou estudar a formação das nanointerfaces em diferentes combinações entre nanocluster de zircônia – dióxido de zircônio, substrato usado em aplicações catalíticas como a oxidação do metano e a síntese de metanol a partir de CO2 – e clusters de metais de transição (ferro, cobre, níquel e cobalto) com um, quatro e oito átomos.

Ao todo, foram estudadas 254 estruturas distintas. Os resultados obtidos mostraram como as propriedades estruturais, energéticas e eletrônicas desses materiais mudam para cada sistema, indicando justamente como esses parâmetros podem ser ajustados por meio de mudanças nas variáveis como, por exemplo, na espécie de metal de transição empregada, no tamanho do cluster e em sua morfologia. O estudo é um desdobramento de trabalhos anteriores, em que os clusters de metais de transição e de óxidos metálicos haviam sido investigados separadamente. Agora, o foco esteve justamente na interação, oferecendo subsídios importantes à compreensão de como essas modificações podem ser feitas, visando aplicações específicas.

O detalhamento dos resultados encontrados podem ser conferidos no artigo publicado no periódico Physical Chemistry Chemical Physics.

Imagem: Estruturas otimizadas no estudo que, no total, investigou 254 estruturas distintas (Autores)