Entendendo o poder da catálise

A função transformadora dos catalisadores e da catálise

Desde assar um pão até fazer papel, humanos aproveitam, sem saber, o poder da catálise há milhares de anos. Na verdade, quase tudo na nossa vida diária é produzido pelo processo de catálise. Catalisadores são substâncias que facilitam as reações químicas, diminuindo a energia de ativação necessária para que a reação ocorra. Eles aumentam a taxa da reação sem serem consumidos ou alterados permanentemente no processo. Suas propriedades únicas os tornaram indispensáveis numa infinidade de aplicações vitais no mundo real, desde combustíveis e pesticidas até o desenvolvimento de produtos farmacêuticos que salvam vidas.

Por exemplo, uma das mais proeminentes reações aceleradas por catalisadores, o “processo Haber-Bosch”, produz amônia para fertilizantes e para a agricultura em escala industrial. O uso de catalisadores reduz tremendamente o custo e acelera a produção de amônia. Atualmente, o processo Haber-Bosch ainda é o principal método de produção de amônia.

Outro exemplo são os conversores catalíticos para carros que usam platina, paládio ou ródio para reduzir em 90% as emissões de compostos tóxicos como hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio.

A função dos catalisadores na química sustentáveis

Embora a sustentabilidade possa parecer uma palavra que está na moda há pouco tempo, as práticas ambientais sustentáveis permanecem firmes na agenda desde a publicação do “Nosso Futuro Comum” pela Organização das Nações Unidas (ONU) em 1987. Este relatório inovador traçou princípios que orientam o desenvolvimento sustentável como é geralmente entendido hoje. Ele definiu o conceito como o “desenvolvimento que satisfaz as necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras de satisfazerem as suas próprias necessidades”. Essa definição resume a importância de implementar a sustentabilidade na fabricação de todos os produtos.

A crescente ênfase na sustentabilidade desencadeou um movimento transformador em direção à química sustentável ou química “verde”, revolucionando como concebemos produtos e processos. Essa abordagem inovadora procura aumentar a eficiência da utilização de recursos naturais na produção química. Três caminhos determinantes têm sido seguidos para atingir esse objetivo: minimizar o consumo de energia, adotar produtos químicos ecológicos e gerir o ciclo de vida dos materiais com eficácia. Com esses métodos, a química sustentável prepara o caminho para um futuro mais verde e que usa os recursos de maneira mais eficiente.

Os catalisadores desempenham um papel fundamental em nossa busca por práticas sustentáveis, oferecendo uma ferramenta valiosa para viabilizar os objetivos. Eles contribuíram para a criação de plásticos biodegradáveis, pois reduzem a nossa dependência de materiais nocivos. Além disso, os catalisadores são fundamentais na produção de combustíveis e fertilizantes, otimizando a eficiência e minimizando o desperdício. Ao aproveitar o poder da catálise, conseguimos alcançar feitos notáveis em vários campos, na medida em que abraçamos a sustentabilidade como princípio orientador.

Com a crescente procura por catalisadores, aumenta a busca por produtos ecológicos para resolver problemas relacionados com a produção de energia sustentável, reduzir as emissões industriais e combater as mudanças climáticas. Usando os dados do CAS Content Collection™, vamos explorar as tendências atuais da pesquisa de catalisadores sustentáveis, destacando os principais avanços nesse campo.

Tornando os catalisadores mais sustentáveis

Metais nobres como platina, paládio e irídio são amplamente utilizados por suas propriedades catalíticas desejadas, tais como alta estabilidade e tolerância à temperatura. Também são usados para acelerar uma ampla gama de reações químicas, dentre elas o Acoplamento Sonogashira, o acoplamento Suzuki-Miyaura e a reação Heck.

No entanto, a utilidade dos metais nobres é dificultada pelo alto custo e disponibilidade limitada. Esses metais preciosos são obtidos principalmente de grandes quantidades de minérios de baixo teor, exigindo extensos esforços de mineração para extrair até mesmo pequenas quantidades. O processo de extração não só exige um consumo significativo de energia, mas também apresenta possíveis danos ambientais. Consequentemente, a utilização de metais nobres em aplicações catalíticas deve ser cuidadosamente ponderada em relação ao impacto ambiental e à sustentabilidade de tais práticas.

As limitações impostas pelos custos econômicos e ambientais dos metais nobres, associadas à crescente procura global por catalisadores, estimularam os pesquisadores a explorar opções alternativas, particularmente metais de transição não nobres como titânio, ferro, cobalto e níquel. Esses metais oferecem diversas vantagens sobre seus nobres correspondentes. Em primeiro lugar, são mais abundantes, garantindo um fornecimento sustentável para aplicações catalíticas. Além disso, os metais de transição não nobres são mais baratos, o que os tornam escolhas viáveis economicamente. Além disso, apresentam baixos níveis de toxicidade, o que reduz possíveis riscos, tanto na produção quanto na aplicação. É importante ressaltar que são metais ambientalmente benignos, minimizando os impactos ecológicos adversos.

Embora os metais não nobres representem uma alternativa promissora, é importante reconhecer que eles apresentam seus próprios desafios. Os metais não nobres são frequentemente mais reativos que os metais nobres; essa reatividade pode levar à degradação dos catalisadores (reduzindo sua durabilidade) e a uma atividade catalítica menos seletiva (podendo levar à formação de subprodutos, geração de resíduos e redução da eficiência do processo). Além disso, a caracterização de metais não nobres pode ser complexa e exigente (Tabela 1).

Mesmo assim, o desenvolvimento de catalisadores sustentáveis com metais não nobres vem ganhando força. Insights do CAS Content Collection revelam um grande aumento nas publicações sobre catalisadores/catálise de metais não nobres entre 2012–2022 (Figura 1).

Tecnologias e avanços na catálise

Nas últimas décadas, foi desenvolvida uma série de catalisadores especializados para aplicações essenciais do mundo real. Esses catalisadores se enquadram amplamente em quatro subcategorias: eletrocatalisadores, fotocatalisadores, catalisadores homogêneos e biocatalisadores (ou enzimas).

Dados do CAS Content Collection mostram que as publicações relacionadas a eletrocatalisadores usando catalisadores de metais não nobres são dominantes na química sustentável (Figura 2 e Figura 3). Os eletrocatalisadores participam de reações eletroquímicas tanto como eletrodos quanto como materiais catalíticos aplicados à superfície dos eletrodos. Tradicionalmente, a platina que tem sido amplamente utilizada em eletrocatálise. No entanto, sua disponibilidade limitada e custo elevado levaram os pesquisadores a explorar alternativas. Um exemplo digno de nota envolve o uso de grafeno dopado com nitrogênio aumentado com átomos de cobalto, que provou ser um catalisador eficiente e durável para gerar hidrogênio a partir da água. Abordagens como esta representam um passo significativo em direção a catalisadores de baixo custo para produção de energia.

A fotocatálise é um processo pelo qual materiais semicondutores absorvem energia luminosa e produzem pares de buracos de elétron que acionam reações de redução e oxidação. Isso é importante para resolver problemas energéticos e ambientais em reações, como a divisão da água para produzir hidrogênio e a decomposição de poluentes, respectivamente (Figura 4). No entanto, um grande desafio de pesquisa é encontrar materiais semicondutores de metais não nobres capazes de dividir a água usando apenas energia solar. Diversas estratégias estão sendo exploradas nessa área, inclusive o uso de cocatalisadores ou nanointegração multicomponente .

Metais nobres como platina e paládio também são predominantes na catálise homogênea devido à sua alta atividade, estabilidade e versatilidade. No entanto, encontrar substitutos para metais nobres em catalisadores homogêneos apresenta um desafio complexo e contínuo para os pesquisadores. Uma reação importante acelerada por esses catalisadores é o acoplamento Sukuzi. Ficaram famosos os relatórios em que os autores alegaram demonstrar o acoplamento Suzuki livre de paládio, que mais tarde soube-se que era catalisado com baixos níveis de contaminantes de paládio. Porém, é promissor o uso de iniciadores de reações radicais como iodo, eosina e iodeto de tetrabutilamônio nessa área. (Figura 5).

Os biocatalisadores, que são catalisadores à base de enzimas, são um excelente exemplo de catalisadores ecológicos e sustentáveis. Produzidos a partir de matérias-primas renováveis disponíveis imediatamente, eles são orgânicos, biodegradáveis, não tóxicos e podem funcionar sob condições de reação moderadas. Uma aplicação em potencial importante dos biocatalisadores é a geração sustentável de biocombustíveis a partir de óleos e gorduras vegetais pela transesterificação de ácidos graxos com metanol. A reação produz biodiesel (ésteres metílicos de ácidos graxos) e glicerol como subproduto (Figura 6). A combinação de biocatalisadores e catalisadores metálicos também é uma abordagem emergente para alcançar a sustentabilidade da produção de moléculas valiosas.

Um catalisador para a mudança

Na sequência da Conferência das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (COP27) e da Conferência das Nações Unidas sobre Biodiversidade (COP15), houve um aumento notável nos compromissos empresariais na adoção de práticas mais sustentáveis. Como os catalisadores continuam indispensáveis na indústria química, há um ímpeto crescente para explorar novos conceitos catalíticos que aumentem a eficiência e a sustentabilidade da fabricação de produtos essenciais. Como reconhecimento dessa necessidade, o Departamento de Energia dos EUA assumiu um compromisso específico de apoiar a pesquisa de catalisadores essenciais.

Os avanços significativos na pesquisa de catalisadores sustentáveis na última década significam que a procura por soluções ambientalmente corretas está bem encaminhada. Embora todo o potencial deste mercado ainda não tenha sido concretizado, prevemos um futuro promissor para catalisadores à base de metais não nobres em diversos domínios que abrangem substâncias orgânicas, inorgânicas e biológicas.

Para obter mais informações sobre o futuro da catálise sustentável, convidamos você a explorar nossa recente publicação na ChemRxV.