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.