Mais de dez anos atrás, os pesquisadores Liu e Hensen demonstraram um avanço importante utilizando um catalisador Au/MgCuCr₂O₄. Seu trabalho revelou uma interação específica Au⁰-Cu⁺ que resultou em rendimentos de acetaldeído superiores a 95% a 250°C, permanecendo estável por mais de 500 horas (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032; J. Catal. 2015, 331, 138; J. Catal. 2017, 347, 45). Apesar desse marco, desenvolver catalisadores mais seguros e não tóxicos que possam alcançar desempenho semelhante a temperaturas mais baixas continua sendo um desafio não resolvido.

Novos Catalisadores de Perovskita de Ouro Avançam o Desempenho

O progresso recente de uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Peng Liu (Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong) e pelo Prof. Emiel J.M. Hensen (Universidade de Tecnologia de Eindhoven) marca um avanço significativo. A equipe projetou uma série de catalisadores Au/LaMnCuO₃ com diferentes proporções de manganês para cobre. Entre eles, o Au/LaMn_0.75Cu_0.25O₃ se destacou pela forte interação cooperativa entre nanopartículas de ouro e uma estrutura perovskita LaMnO₃ moderadamente dopada com cobre.

Essa sinergia cuidadosamente ajustada permitiu que a oxidação do etanol ocorresse de forma eficiente a temperaturas abaixo de 250°C. O novo catalisador superou o antigo benchmark Au/MgCuCr₂O₄, e os resultados foram relatados no Journal of Catalysis chinês.

Otimizando o Design de Catalisadores para Maior Rendimento e Estabilidade

Para melhorar a eficiência da conversão de bioetanol em acetaldeído — um produto químico valioso utilizado em plásticos e farmacêuticos — os pesquisadores se concentraram em suportes de catalisadores baseados em perovskita. Esses materiais foram produzidos utilizando um processo de combustão sol-gel e, em seguida, recobertos com nanopartículas de ouro. Ao ajustar o teor de manganês e cobre, a equipe identificou uma formulação ideal (Au/LaMn_0.75Cu_0.25O₃) que alcançou um rendimento de acetaldeído de 95% a 225°C, permanecendo estável por 80 horas.

Catalisadores com níveis mais altos de cobre apresentaram desempenho inferior, principalmente porque o cobre tende a perder seu estado químico ativo durante a reação. O forte desempenho do catalisador otimizado foi atribuído a uma interação cooperativa entre os íons de ouro, manganês e cobre.

Como Ouro, Cobre e Manganês Trabalham Juntos

Para explicar por que o novo catalisador apresenta desempenho tão bom, os pesquisadores realizaram estudos computacionais detalhados usando teoria do funcional de densidade e modelagem microcinética. Essas simulações mostraram que a introdução de cobre na estrutura perovskita cria locais altamente ativos perto das partículas de ouro. Esses locais facilitam a reação entre moléculas de oxigênio e etanol.

O catalisador otimizado também reduz a barreira energética para etapas-chave da reação, permitindo que o processo ocorra de maneira mais eficiente. Juntos, os dados experimentais e a modelagem teórica enfatizam a importância de ajustar precisamente a composição do catalisador para alcançar maior eficiência e melhor estabilidade.