Os catalisadores pertencentes à família dos zeólitos ajudam a remover os óxidos de nitrogênio tóxicos das emissões industriais. Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI descobriram agora que sua complexa estrutura nanoporosa é crucial. Especificamente, átomos de ferro individuais situados em certos poros vizinhos comunicam-se entre si, conduzindo assim a reação desejada.
A indústria produz gases que são prejudiciais tanto para os seres humanos como para o ambiente e, por isso, devem ser impedidos de escapar. Estes incluem o óxido nítrico e o óxido nitroso, este último também conhecido como gás hilariante. Ambos podem ser produzidos simultaneamente na fabricação de fertilizantes, por exemplo. Para removê-los dos gases residuais, as empresas utilizam catalisadores à base de zeólita. Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI, em colaboração com a empresa química suíça CASALE SA, descobriram agora os detalhes de como esses catalisadores tornam inofensiva a combinação desses dois óxidos de nitrogênio. Os resultados de suas pesquisas foram publicados na revista Catálise da Natureza e fornecer pistas sobre como os catalisadores poderiam ser melhorados no futuro.
Um zoológico inteiro de espécies de ferro
“A empresa CASALE, sediada em Lugano, contactou-nos porque queria desenvolver uma melhor compreensão de como funcionam realmente os seus catalisadores utilizados para a redução do óxido de azoto”, diz Davide Ferri, chefe do grupo de investigação de Catálise Aplicada e Espectroscopia no Centro PSI para Energia e Ciências Ambientais. As zeólitas utilizadas para isso são compostas por átomos de alumínio, oxigênio e silício formando uma espécie de estrutura. Os zeólitos ocorrem naturalmente – como minerais em formações rochosas, por exemplo – ou podem ser fabricados sinteticamente. Muitos catalisadores utilizados na indústria química são baseados nestes compostos, com elementos adicionais adicionados à estrutura básica dependendo da aplicação específica.
Quando a estrutura do zeólito também contém ferro como substância ativa, permite a conversão dos dois óxidos de nitrogênio, óxido nítrico (NO) e óxido nitroso (N2O), em moléculas inofensivas. “No entanto, esses átomos de ferro podem estar localizados em muitas posições diferentes da estrutura do zeólito e podem possuir várias formas”, diz Filippo Buttignol, membro do grupo de Ferri. Ele é o autor principal do novo estudo, que conduziu como parte de sua tese de doutorado. “O ferro pode alojar-se nos pequenos espaços do zeólito na forma de átomos únicos, ou então vários átomos de ferro podem unir-se e com átomos de oxigênio em espaços ligeiramente maiores na rede regular como aglomerados diatômicos, multiatômicos ou poliatômicos.” Resumindo, o catalisador contém um zoológico inteiro de diferentes espécies de ferro. “Queríamos saber qual dessas espécies de ferro é realmente responsável pela catálise dos óxidos de nitrogênio”.
Os pesquisadores, especializados em análises espectroscópicas, sabiam exatamente quais três tipos de experimentos precisavam realizar para responder a essa pergunta. Eles realizaram isso enquanto a reação catalítica ocorria em sua amostra de zeólita. Primeiro eles usaram a fonte de luz suíça SLS no PSI para analisar o processo usando espectroscopia de absorção de raios X. “Isso nos permitiu observar todas as espécies de ferro simultaneamente”, explica Buttignol. Em seguida, em colaboração com a ETH Zurich, eles usaram espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica para identificar a contribuição de cada espécie. E finalmente – novamente no PSI – os cientistas usaram espectroscopia infravermelha para determinar o aspecto molecular das diferentes espécies de ferro.
Catalisador: Um material que permite a ocorrência de uma reação química que de outra forma seria muito mais difícil de alcançar. Átomos individuais ou aglomerados de átomos do material catalítico podem mover-se entre diferentes estados químicos (ver reação redox), mas sempre retornam ao seu estado original. Isto significa que um catalisador não é consumido nem alterado permanentemente durante o processo.
Espectroscopia: As análises espectroscópicas utilizam luz visível ou outras partes do espectro eletromagnético (incluindo radiação ultravioleta e infravermelha, bem como raios X, microondas e outras faixas espectrais, todas invisíveis ao olho humano). Existem muitas técnicas diferentes, que diferem em seus detalhes. O que todos eles têm em comum é que a luz interage com a amostra e o resultado revela informações sobre certos aspectos ou propriedades da amostra.
Espectroscopia de absorção de raios X (XAS): Esta análise espectroscópica específica utiliza raios X. A amostra absorve partes individuais do espectro de raios X, permitindo aos pesquisadores deduzir certas propriedades da amostra.
Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR): envolve colocar a amostra em um campo magnético e irradiá-la simultaneamente com microondas.
Espectroscopia infravermelha: A faixa infravermelha do espectro pode ser usada para excitar vibrações ou rotações de moléculas. Isto significa que a espectroscopia infravermelha pode ser usada para caracterizar quantitativamente substâncias conhecidas ou para determinar a estrutura de substâncias desconhecidas.
Tetraedro: Um tetraedro é uma pirâmide cuja base é um triângulo (assim como todos os seus lados).
Reação redox: O termo reação redox é uma mala de viagem para reação de “redução-oxidação”. Numa reação redox, duas substâncias químicas – um agente redutor ou redutor e um agente oxidante ou oxidante – trocam elétrons. O primeiro perde ou doa elétrons, enquanto o segundo os ganha ou aceita.
De onde vêm os poluentes?
Para encontrar as fontes da poluição, os investigadores mediram a composição do ar no telhado da Universidade de Tecnologia Química de Pequim num projecto e compararam as fontes de poluição durante os meses de Verão e Inverno. Foi utilizado um novo tipo de espectrômetro de massa, que pode analisar a composição molecular dos aerossóis ambientais em tempo real. Esta informação molecular permite identificar as fontes de poluição. Os cientistas distinguem entre aerossóis primários – ou seja, partículas sólidas e líquidas em suspensão que são emitidas para a atmosfera – e aerossóis secundários – que se formam à medida que viajam pela atmosfera. Estes últimos são particularmente importantes em Pequim.
Diferenças entre verão e inverno
Dällenbach e os seus colegas descobriram que as fontes de partículas se estendem muito além da capital e que estas fontes diferem em termos químicos e geográficos entre os meses de verão e de inverno. No inverno, os aerossóis orgânicos secundários são causados pela combustão de madeira e carvão e originam-se principalmente na região metropolitana de Pequim-Tianjin-Hebei. No Verão, por outro lado, o ar flui do sul e a poluição é dominada pelas emissões urbanas, por exemplo provenientes do tráfego e da indústria, provavelmente provenientes da cintura Xi'an-Xangai-Pequim.
“O nosso trabalho mostra que, embora nos concentremos na poluição em Pequim, o smog é um fenómeno regional de grande escala, no qual aerossóis de diferentes fontes são transportados ao longo de centenas de quilómetros”, explica Dällenbach. A redução da poluição atmosférica exige, portanto, medidas coordenadas e em grande escala em toda a área metropolitana de Pequim e fora dela. Dällenbach e o seu grupo de investigação também estão a utilizar os métodos que desenvolveram para compreender o smog na Europa, bem como em centros urbanos pouco representados no Sul Global.
