Novo catalisador com átomos isolados de cobre consegue tratar poluentes e tornar processos industriais mais sustentáveis
Tornar os processos químicos mais eficientes e menos impactantes ao meio ambiente é uma prioridade na ciência e na indústria. Por isso, há um número crescente de pesquisas que visam desenvolver novos catalisadores — substâncias que aceleram reações químicas — para tornar as produções mais acessíveis e menos poluentes. Esse processo de aceleração da reação é chamado catálise, a qual tem duas formas principais: homogênea, em que catalisador e reagentes — substâncias que serão transformadas na reação — estão na mesma fase (sólida, líquida ou gasosa), e heterogênea, quando estão em fases diferentes. A catálise heterogênea, predominante na indústria, destaca-se por sua viabilidade econômica e contribuição para a sustentabilidade, pois reduz a dependência de recursos naturais escassos, simplifica processos químicos e facilita a recuperação do catalisador.
Apesar de suas muitas vantagens, os catalisadores heterogêneos convencionais têm várias limitações. Um aspecto comum é que muitas vezes eles geram subprodutos indesejados nas reações, tornando a separação mais difícil. Outro problema é que nem todos os átomos desses catalisadores realmente participam da reação, às vezes por estarem mal posicionados ou pouco reativos. Esse “desperdício” é chamado de baixa eficiência atômica, o que diminui a eficiência catalítica do material. Além disso, os caminhos que as reações de catálise seguem são complexos, então nem sempre é possível prever com exatidão a ação do catalisador. Para superar esses pontos, pesquisadores de várias instituições brasileiras, incluindo a UFSCar, UFVJM, UFU, UFMG e Embrapa Instrumentação, desenvolveram um catalisador de átomo único (SACs) de alto desempenho, sustentável e com custo reduzido de produção.
A pesquisa contou com participação do Prof. Dr. Ivo Freitas Teixeira, docente do Departamento de Química da UFSCar e integrante do Centro de Excelência para Pesquisa em Química Sustentável (CERSusChem), que fala sobre a potencialidade do estudo: “Acreditamos que o destaque desta pesquisa está especialmente relacionado à versatilidade do material desenvolvido, uma vez que é possível utilizar o mesmo método para a síntese de catalisadores com diferentes metais, possibilitando outras aplicações”. De maneira simples, um catalisador de átomo único é, como o termo indica, um material que usa átomos metálicos isolados, o que melhora muito o aproveitamento da reação, já que todos participam do mecanismo de catálise. Para tanto, os átomos devem estar bem distribuídos e ancorados em uma base/suporte, que é um material sólido que impede o agrupamento dos íons metálicos e facilita a aproximação do reagente, maximizando a atividade catalítica.
Na pesquisa, foi utilizada uma estratégia simples e sustentável com materiais abundantes, como celulose e colágeno, para produzir um suporte a base de carbono com adição de nitrogênio (um processo chamado doping), que estabilizou átomos isolados de cobre em sua superfície. Segundo o Prof. Dr. Ivo Freitas Teixeira, “A principal vantagem do cobre em relação a outros metais nobres está no seu custo significativamente mais baixo, além de sua maior abundância na natureza”. Como resultado, o material foi caracterizado por técnicas avançadas, as quais confirmaram a alta dispersão dos íons de cobre, e demonstrou alta atividade catalítica e reusabilidade na redução do 4-nitrofenol, um composto sintético usado nas indústrias farmacêutica, de corantes, pigmentos e pesticidas, e reconhecido como poluente emergente.
Dessa forma, a pesquisa apresenta um método eficiente e sustentável para a produção de novos SACs, usando um metal alternativo àqueles nobres e trazendo novas perspectivas de uso. O novo material — um suporte de carbono dopado com nitrogênio com íons de cobre na superfície — abre caminho para catalisadores mais econômicos e que minimizem o impacto ambiental, com potencial para diversas outras aplicações além do tratamento do 4-nitrofenol. O artigo completo, “Cu single-atoms supported on molten salt-derived N-doped nanocarbons: A highly efficient catalyst for 4-nitrophenol reduction”, foi publicado recentemente na revista Applied Surface Science e pode ser conferido na íntegra em: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163786.
Texto por Milena Rossales Castro.
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New catalyst with isolated copper atoms can treat pollutants and make industrial processes more sustainable
Making chemical processes more efficient and less environmentally damaging is a priority in science and industry. Therefore, there is a growing number of studies aimed at developing new catalysts — substances that accelerate chemical reactions — to make production more accessible and less polluting. This process of accelerating the reaction is called catalysis, which has two main forms: homogeneous, in which the catalyst and reactants — substances that will be transformed in the reaction — are in the same phase (solid, liquid or gas), and heterogeneous, when they are in different phases. Heterogeneous catalysis, predominant in industry, stands out for its economic viability and contribution to sustainability, as it reduces dependence on scarce natural resources, simplifies chemical processes and facilitates catalyst recovery.
Despite their many advantages, conventional heterogeneous catalysts have limitations. One common aspect is that they often generate unwanted byproducts in the reactions, making separation more difficult. Another problem is that not all the atoms in these catalysts actually participate in the reaction, sometimes because they are poorly positioned or not very reactive. This “waste” is called reduced atomic efficiency, which reduces the catalytic efficiency of the material. In addition, the pathways of the catalysis reactions are complex, so it is not always possible to accurately predict the action of the catalyst. To overcome this, researchers from Brazilian institutions, including UFSCar, UFVJM, UFU, UFMG and Embrapa Instrumentação, have developed a highly efficient, sustainable single-atom catalyst (SAC) with lower production costs.
The research was co-authored by Professor Ivo Freitas Teixeira, a faculty member in the Chemistry Department at UFSCar, Brazil, and member of the Center of Excellence for Research in Sustainable Chemistry (CERSusChem), who speaks about the study's potential: “We believe that the highlight of this research is especially related to the versatility of the material developed, since it is possible to use the same method to synthesize catalysts with different metals, enabling other applications”. Basically, a single-atom catalyst is, as the term indicates, a material that uses isolated metal atoms, which greatly improves the use of the reaction, since they all participate in the catalysis mechanism. To achieve this, the atoms must be well distributed and anchored in a support, which is a solid material that prevents the grouping of metal ions and facilitates the approach of the reagent, maximizing catalytic activity.
The research used a simple and sustainable strategy using abundant materials, such as cellulose and collagen, to produce a carbon-based support with the addition of nitrogen (a process called doping), which stabilized isolated copper atoms on its surface. According to Professor Ivo Freitas Teixeira, “The main advantage of copper over other noble metals is its significantly lower cost, in addition to its greater abundance in nature”. As a result, the material was characterized by advanced techniques, which confirmed the high dispersion of copper ions, and demonstrated high catalytic activity and reusability in the reduction of 4-nitrophenol, a synthetic compound used in the pharmaceutical, dye, pigment and pesticide industries, and recognized as an emerging pollutant.
Therefore, the research presents an efficient and sustainable method for the production of new SACs, using an alternative metal to those of noble metals and bringing new perspectives for their use. The new material — a nitrogen-doped carbon support with copper ions on the surface — enables the development of cheaper catalysts that minimize environmental impact, with potential for other applications in addition to the treatment of 4-nitrophenol. The full article, “Cu single-atoms supported on molten salt-derived N-doped nanocarbons: A highly efficient catalyst for 4-nitrophenol reduction”, was recently published in the Applied Surface Science Journal and is available at: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163786.