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Química Química computacional

Identificação computacional de materiais com potencial atividade catalítica para a redução de CO2 em produtos de valor agregado.

A redução eletroquímica do CO2 é atualmente uma das melhores alternativas para a conversão deste poluente atmosférico em compostos químicos de valor agregado. A eficiência deste processo depende muito da performance do catalisador utilizado, e diversas nanopartículas já foram identificadas para este fim. O controle do tamanho das partículas é fundamental para que uma alta performance seja obtida, e clusters contendo poucas dezenas de átomos são desejáveis por possuírem uma alta proporção de sítios reativos e de baixa coordenação. Entretanto, o número de possíveis combinações de elementos químicos para a produção destas nanopartículas é enorme, e muitas vezes se torna impraticável testar experimentalmente um número elevado de possibilidades devido ao custo envolvido. Neste projeto, nanopartículas com potencial aplicação e de vários tamanhos e composições serão testados computacionalmente quanto sua viabilidade como catalisadores para transformação de CO2 em compostos químicos de interesse, como metano e metanol. Além de nanopartículas, serão testadas também superfícies metálicas contendo átomos dopantes isolados (single-atom-alloys). Para todos os casos estudados, serão calculadas todas as etapas relevantes para a conversão do CO2 em novos produtos, como adsorção, ativação e caminhos reacionais.

09/09/2022 até 09/09/2025 FAPEMIG

Objetivo:
O processo de redução do CO2 vem sendo consideravelmente melhorado, principalmente por catalisadores mais eficientes e seletivos. Este projeto visa a descoberta computacional de materiais que possam aumentar a eficiência da transformação de CO2 em produtos de interesse comercial.

Resumo:
A redução eletroquímica do CO2 é atualmente uma das melhores alternativas para a conversão deste poluente atmosférico em compostos químicos de valor agregado. A eficiência deste processo depende muito da performance do catalisador utilizado, e diversas nanopartículas já foram identificadas para este fim. O controle do tamanho das partículas é fundamental para que uma alta performance seja obtida, e clusters contendo poucas dezenas de átomos são desejáveis por possuírem uma alta proporção de sítios reativos e de baixa coordenação. Entretanto, o número de possíveis combinações de elementos químicos para a produção destas nanopartículas é enorme, e muitas vezes se torna impraticável testar experimentalmente um número elevado de possibilidades devido ao custo envolvido. Neste projeto, nanopartículas com potencial aplicação e de vários tamanhos e composições serão testados computacionalmente quanto sua viabilidade
como catalisadores para transformação de CO2 em compostos químicos de interesse, como metano e metanol. Além de nanopartículas, serão testadas também superfícies metálicas contendo átomos dopantes isolados (single-atom-alloys). Para todos os casos estudados, serão calculadas todas as etapas relevantes para a conversão do CO2 em novos produtos, como adsorção, ativação e caminhos reacionais.

Resultado:
O resultado mais importante foi, possivelmente, a identificação de que a dopagem com átomos isolados de irídio na superfície de prata tem elevado potencial para melhorar o desempenho da mesma, aumentando a produção de metano e metanol, em detrimento da formação de monóxido de carbono. Além disso, foi mostrado que essa superfície dopada é
capaz de suprimir a evoluçao do hidrogênio (HER), que compete com a redução do CO2. Já para a reação de evolução do oxigênio, que normalmente é realizada com metais nobres como o rutênio, foi mostrado que o fulereno dopado com com o grupo CuN4 tem potencial de fornecer um sobrepotencial similar ao do catalisador convencional, porém utilizando apenas elementos abundantes na Terra e de mais baixo custos. Também foi demonstrado que o efeito catalítico do paládio na HER pode ser mantido quando dopado níquel, que é um metal mais abundante e de mais baixo custo.