Compreendendo o poder da catálise

O que é catálise e o que um catalisador faz?

Desde assar pão até fabricar papel , os seres humanos aproveitam, sem saber, o poder da catálise há milhares de anos. Na verdade, quase tudo em sua vida diária foi produzido por meio do processo de catálise. Catalisadores são substâncias que facilitam reações químicas ao reduzir a energia de ativação necessária para que a reação ocorra. Eles aumentam a velocidade da reação sem serem consumidos ou alterados permanentemente no processo. Suas propriedades únicas os tornaram indispensáveis em uma infinidade de aplicações do mundo real , desde combustíveis e pesticidas até o desenvolvimento de medicamentos que salvam vidas.

Por exemplo, uma das reações mais importantes possibilitadas por catalisadores, o "processo Haber-Bosch", produz amônia para fertilizantes e agricultura em escala industrial. O uso de catalisadores reduz drasticamente o custo e acelera a produção de amônia. Até hoje, o processo Haber-Bosch é o principal método de produção de amônia.

Outro exemplo é encontrado nos conversores catalíticos de automóveis, que utilizam platina, paládio ou ródio para reduzir em 90% as emissões de compostos tóxicos como hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio.

O papel da catálise na química sustentável

Embora a sustentabilidade possa parecer um termo da moda recente, as práticas ambientais sustentáveis estão firmemente na pauta desde a publicação do relatório 'Nosso Futuro Comum' das Nações Unidas (ONU) em 1987. Este relatório inovador traçou princípios orientadores para o desenvolvimento sustentável como é geralmente entendido hoje, definindo 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 em todos os produtos manufaturados.

A crescente ênfase na sustentabilidade desencadeou um movimento transformador em direção à química sustentável ou 'química verde' , revolucionando a forma como projetamos produtos e processos. Essa abordagem inovadora busca aumentar a eficiência do uso de recursos naturais na produção química. Três caminhos cruciais são seguidos para atingir esse objetivo: minimizar o consumo de energia, adotar produtos químicos ecologicamente corretos e gerenciar efetivamente o ciclo de vida dos materiais. Por meio desses métodos, a química sustentável está abrindo caminho para um futuro mais verde e eficiente em termos de recursos.

Os catalisadores desempenham um papel fundamental em nossa busca por práticas sustentáveis, oferecendo uma ferramenta valiosa para facilitar metas. Eles contribuíram para a criação de plásticos biodegradáveis, reduzindo nossa dependência de materiais nocivos. Além disso, os catalisadores são fundamentais na produção de combustíveis e fertilizantes, otimizando a eficiência e minimizando o desperdício. Aproveitar o poder da catálise nos capacita a alcançar feitos notáveis em vários campos, ao mesmo tempo em que adotamos a sustentabilidade como princípio orientador.

Com a crescente demanda por catalisadores, houve um aumento na procura por produtos ecologicamente corretos para resolver questões relacionadas à produção de energia sustentável, reduzir emissões industriais e combater as mudanças climáticas. Usando dados da CAS Content Collection™, exploraremos as tendências atuais de pesquisa em catalisadores sustentáveis, destacando os principais avanços neste campo.

Tornando os catalisadores mais sustentáveis

Metais nobres como platina, paládio e irídio são amplamente utilizados por suas propriedades catalíticas desejáveis, como alta estabilidade e tolerância à temperatura. Eles também são usados para facilitar uma ampla gama de reações químicas, incluindo acoplamento de Sonogashira , acoplamento de Suzuki-Miyaura e reação de Heck .

No entanto, a utilidade dos metais nobres é dificultada pelo seu alto custo e disponibilidade limitada. Esses metais preciosos são obtidos principalmente a partir de grandes quantidades de minérios de baixo teor , exigindo esforços extensivos de mineração para extrair até mesmo pequenas quantidades. Esse processo de extração não apenas demanda um consumo significativo de energia, mas também apresenta potenciais 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, somadas à crescente demanda global por catalisadores, levaram pesquisadores a explorar opções alternativas, particularmente metais de transição não nobres como titânio, ferro, cobalto e níquel. Esses metais oferecem várias vantagens em relação aos seus equivalentes nobres. Primeiramente, eles são mais abundantes, garantindo um suprimento sustentável para aplicações catalíticas. Além disso, metais de transição não nobres são mais econômicos, tornando-os escolhas viáveis financeiramente. Ademais, eles exibem baixos níveis de toxicidade, reduzindo riscos potenciais tanto na produção quanto na aplicação. É importante ressaltar que esses metais são ambientalmente inofensivos, minimizando impactos ecológicos adversos.

Embora os metais não nobres apresentem uma alternativa promissora, é importante reconhecer que eles não estão isentos de seus próprios desafios. 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 (o que gera subprodutos, criando resíduos e reduzindo a eficiência do processo). Além disso, a caracterização de metais não nobres pode ser complexa e exigente (Tabela 1).

No entanto, o desenvolvimento de catalisadores sustentáveis com metais não nobres está ganhando força. Insights da CAS Content Collection revelam um grande aumento nas publicações sobre catalisadores/catálise de metais não nobres entre 2012 e 2022 (Figura 1).

Tecnologias e avanços na catálise

Nas últimas décadas, uma série de catalisadores especializados foi desenvolvida para aplicações essenciais no mundo real. Esses catalisadores dividem-se amplamente em quatro subcategorias: eletrocatalisadores, fotocatalisadores, catalisadores homogêneos e biocatalisadores (ou enzimas).

Dados da CAS Content Collection mostram que as publicações relacionadas a eletrocatalisadores são predominantes na química sustentável que utiliza catalisadores de metais não nobres (Figura 2 e Figura 3). Eletrocatalisadores participam de reações eletroquímicas, seja como eletrodos ou como materiais catalíticos aplicados sobre superfícies de eletrodos. Tradicionalmente, a platina tem sido amplamente empregada na eletrocatálise. Contudo, sua disponibilidade limitada e alto custo levaram pesquisadores a explorar alternativas. Um exemplo notável envolve o uso de grafeno dopado com nitrogênio enriquecido com átomos de cobalto , que provou ser um catalisador eficiente e durável para a geração de hidrogênio a partir da água. Abordagens como esta representam um passo significativo em direção a catalisadores de menor custo para a produção de energia.

A fotocatálise é um processo pelo qual materiais semicondutores absorvem energia luminosa e produzem pares elétron-lacuna que impulsionam reações de redução e oxidação. 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. Várias estratégias estão sendo exploradas nesta área, incluindo 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 fundamental facilitada por esses catalisadores é o acoplamento de Suzuki. É famoso o fato de que relatos em que autores alegavam demonstrar acoplamento de Suzuki livre de paládio foram posteriormente comprovados como sendo catalisados por baixos níveis de contaminantes de paládio. Contudo, o uso de iniciadores de reação radicalar como iodo, eosina e iodeto de tetrabutilamônio é promissor nesta área (Figura 5).

Biocatalisadores, que são catalisadores baseados em enzimas, oferecem um exemplo notável de catalisadores verdes e sustentáveis. Produzidos a partir de matérias-primas renováveis facilmente disponíveis, eles são orgânicos, biodegradáveis, não tóxicos e podem funcionar sob condições de reação brandas. Uma aplicação potencial fundamental dos biocatalisadores é na 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 na produção de moléculas valiosas.

Um catalisador para a mudança

Na esteira da Conferência das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (COP27) e da Conferência da ONU sobre Biodiversidade (COP15), houve um aumento notável nos compromissos corporativos para adotar práticas mais sustentáveis . Como os catalisadores permanecem indispensáveis na indústria química, há um ímpeto crescente para explorar novos conceitos catalíticos que possam aumentar a eficiência e a sustentabilidade da fabricação de produtos essenciais. Reconhecendo essa necessidade, o Departamento de Energia dos EUA assumiu um compromisso dedicado de apoiar a pesquisa fundamental em catalisadores.

Os avanços significativos na pesquisa de catalisadores sustentáveis na última década indicam que a busca por soluções ecologicamente corretas está em pleno andamento. Embora o potencial total deste mercado ainda não tenha sido alcançado, prevemos um futuro promissor para catalisadores à base de metais não nobres em diversos domínios, abrangendo substâncias orgânicas, inorgânicas e de base biológica.

Para mais informações sobre o futuro da catálise sustentável, explore nossa recente publicação na ChemRxV.

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