Materiais Catalíticos Heterogêneos

Materiais catalíticos heterogêneos são sólidos cujas superfícies aceleram reações químicas de gases ou líquidos sem serem consumidos, fornecendo sítios ativos onde os reagentes adsorvem, reagem e dessorvem.

Definition

Um catalisador heterogêneo é um sólido que aumenta a taxa de uma reação ocorrendo em uma fase diferente, fornecendo sítios ativos de superfície, diminuindo a barreira de ativação através da adsorção e reorganização de ligações, enquanto ele próprio permanece não consumido.

Scope

Este tópico abrange a química de materiais de catalisadores sólidos: nanopartículas metálicas suportadas, óxidos metálicos e zeólitos microporosos; os sítios ativos e a estrutura da superfície que determinam a atividade e a seletividade; as etapas de adsorção, reação superficial e dessorção do ciclo catalítico; e os papéis do suporte, promotores e porosidade. Ele conecta a química de superfície e de defeitos ao desempenho e durabilidade de catalisadores industriais.

Core questions

• Quais são os sítios ativos de um catalisador sólido?
• Como a adsorção, a reação superficial e a dessorção compõem o ciclo catalítico?
• Como o suporte, os promotores e a porosidade afetam a atividade e a seletividade?
• O que causa a desativação do catalisador?

Key concepts

• Sítios ativos
• Adsorção e dessorção
• Catalisadores metálicos suportados
• Zeólitos e seletividade de forma
• Promotores e suportes
• Desativação e envenenamento

Key theories

O ciclo catalítico de superfície

A catálise prossegue pela adsorção de reagentes em sítios de superfície, reação das espécies adsorvidas e dessorção dos produtos; a força de adsorção deve ser intermediária — forte o suficiente para ativar ligações, mas fraca o suficiente para liberar produtos — resultando na relação em forma de vulcão entre energia de ligação e atividade.

Sítios ativos, suportes e seletividade

A atividade reside em sítios de superfície específicos cuja estrutura e estado eletrônico definem a reação; a dispersão da fase ativa em um suporte maximiza os sítios, enquanto os promotores e os poros seletivos de forma dos zeólitos ajustam quais produtos se formam.

Mechanisms

As moléculas reagentes quimissorvem nos sítios de superfície, onde as ligações enfraquecem e se rearranjam; os intermediários de superfície reagem e os produtos dessorvem para liberar o sítio para outro ciclo. A atividade depende da força de adsorção e da estrutura do sítio, e a desativação ocorre por envenenamento, incrustação, sinterização ou perda da fase ativa.

Clinical relevance

Os catalisadores heterogêneos sustentam grande parte das indústrias química e de energia: eles produzem fertilizantes e combustíveis, refinam petróleo, controlam emissões automotivas e industriais e permitem uma síntese química mais limpa, de modo que a melhoria de sua atividade, seletividade e estabilidade tem um amplo impacto econômico e ambiental.

History

A catálise heterogênea surgiu de processos industriais do início do século XX, como a síntese de amônia, com Sabatier e Langmuir lançando as bases para a reatividade e adsorção de superfície. Os estudos posteriores de Ertl em escala atômica de reações em superfícies bem definidas, reconhecidos pelo Prêmio Nobel de 2007, estabeleceram a compreensão molecular de como os catalisadores sólidos funcionam.

Key figures

• Gerhard Ertl
• Irving Langmuir
• Paul Sabatier

Seminal works

• chorkendorff2017
• thomas1997

Frequently asked questions

Por que a força de adsorção intermediária é a melhor para um catalisador?

Se os reagentes se ligam muito fracamente, eles não são ativados; se eles se ligam muito fortemente, os produtos não podem sair e bloqueiam o sítio. Os catalisadores mais ativos ligam os reagentes com uma força intermediária, um equilíbrio capturado pela relação em forma de vulcão entre a energia de ligação e a atividade.

O que torna os zeólitos catalisadores úteis?

Os zeólitos são aluminossilicatos cristalinos com poros regulares de tamanho molecular e sítios ácidos. Suas dimensões de poros admitem e liberam apenas moléculas de certos tamanhos e formas, proporcionando catálise seletiva de forma que favorece produtos específicos, o que é valioso no refino de petróleo e na síntese química.