Como a platina é usada na catálise

A platina é um dos materiais catalíticos mais eficazes e amplamente utilizados na tecnologia moderna. De células de combustível e fábricas de produtos químicos a sistemas de controle de emissões automotivas, a platina permite que as reações ocorram mais rapidamente, com mais eficiência e em condições mais brandas do que seria possível de outra forma. Para entender por que a platina é tão valiosa, é útil observar como ela funciona no nível atômico, como é aplicada em conversores catalíticos e onde mais ela desempenha um papel industrial fundamental.

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Como funciona um catalisador de platina?

Se você entende de eletrólise, é útil pensar em uma célula de combustível como a eletrólise invertida.

Na eletrólise da água, aplica-se uma tensão para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Em teoria, é necessária uma tensão mínima para que a reação ocorra. Na prática, porém, você pode precisar de mais do que a tensão mínima. Essa tensão adicional é chamada de "sobrepotencial" e é uma medida das perdas de energia que ocorrem porque a reação não é ideal na superfície do eletrodo.

A platina é especial porque, para reações de hidrogênio, seu sobrepotencial é muito próximo de zero. Isso significa que as reações de hidrogênio ocorrem de forma muito eficiente em uma superfície de platina, com pouquíssima perda de energia. É por isso que a platina é tão valiosa nas células de combustível de hidrogênio e nos eletrolisadores.

Uma explicação um pouco mais detalhada do motivo pelo qual a platina é útil tem a ver com a forma como a platina interage com as moléculas em sua superfície.

O gás hidrogênio (H₂), por exemplo, não reage facilmente no espaço livre à temperatura ambiente. Mas quando as moléculas de H₂ entram em contato com uma superfície de platina, algo importante acontece:

• A molécula de hidrogênio se adsorve (gruda) na superfície da platina.
• A ligação H-H enfraquece e se rompe.
• Formam-se duas novas ligações Pt-H.
• Cada átomo de hidrogênio pode então perder um elétron mais facilmente, formando prótons (H⁺).

O segredo é o equilíbrio. A platina se liga ao hidrogênio com força suficiente para quebrar a ligação H-H, mas não com tanta força que os átomos de hidrogênio fiquem permanentemente presos. Os metais que ligam o hidrogênio de forma muito fraca não conseguem ativá-lo de forma eficiente. Os metais que o ligam com muita força o prendem e retardam a reação. A platina fica perto do "ponto ideal" nesse equilíbrio, o que a torna excepcionalmente eficaz.

De forma mais ampla, a platina pertence ao grupo de metais conhecido como Elementos do Grupo da Platina (EGP), que inclui paládio, ródio, rutênio, irídio e ósmio. Esses metais compartilham várias características importantes:

• Altos pontos de fusão
• Forte resistência à corrosão
• Vários estados de oxidação
• Alta capacidade de adsorção de gases

Como o catalisador de platina é comumente usado em conversores catalíticos

Uma das maiores e mais proeminentes aplicações dos catalisadores de platina é nos conversores catalíticos de automóveis.

O conversor catalítico foi inventado em meados da década de 1970 como resultado das regulamentações de qualidade do ar que exigiam cortes radicais nas emissões dos automóveis. A Lei do Ar Limpo nos Estados Unidos resultou no uso generalizado de conversores catalíticos a partir de 1975. Essa legislação surgiu na Europa e em outras partes do mundo na década de 1990.

O conversor catalítico é montado no sistema de escapamento do veículo. Sua complexidade não é imediatamente evidente pelo seu design externo.

Dentro do invólucro de aço inoxidável há um monólito de cerâmica em forma de favo de mel. O design do favo de mel permite uma área de superfície muito maior com pouca resistência ao fluxo dos gases de escape.

O substrato de cerâmica é então revestido com uma camada de "washcoat". O washcoat aumenta a área da superfície e também ajuda na estabilização dos metais ativos. Os metais do grupo da platina, que incluem a platina (Pt), o paládio (Pd) e o ródio (Rh), são então dispersos como nanopartículas muito finas na camada. Normalmente, a carga total de EGPs é de cerca de 0,1% em peso, mas como eles são dispersos como partículas menores que 10 nanômetros de tamanho quando novos, sua área de superfície é enorme.

Nos motores a gasolina, os conversores catalíticos de "três vias" realizam três reações simultâneas:

• Oxidação do monóxido de carbono (CO) em dióxido de carbono (CO₂)
• Oxidação de hidrocarbonetos não queimados (UHCs) em CO₂ e água
• Redução de óxidos de nitrogênio (NOₓ) a nitrogênio (N₂)

A platina e o paládio catalisam principalmente as reações de oxidação. O ródio é particularmente eficaz na redução do NOₓ. Em termos simples, a platina dentro de um conversor catalítico fornece uma superfície reativa na qual os gases de escape nocivos são convertidos em substâncias menos tóxicas antes de deixarem o tubo de escape.

Outros usos dos catalisadores de platina

Embora os conversores catalíticos sejam a aplicação mais conhecida, a função catalítica da platina vai muito além do setor automotivo.

Células de combustível e energia de hidrogênio

Nas células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), a platina é usada em ambos os eletrodos:

• No ânodo, ela catalisa a oxidação do hidrogênio (H₂ → 2H⁺ + 2e-).
• No cátodo, ele catalisa a redução de oxigênio (O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O).

Essas reações geram eletricidade com água como o único subproduto. O baixo sobrepotencial da platina para reações de hidrogênio é fundamental para a alta eficiência da célula de combustível.

Fabricação de produtos químicos

Os catalisadores de platina são amplamente utilizados em:

• Hidrogenação de compostos orgânicos
• Reforma do petróleo para melhorar a octanagem da gasolina
• Produção de ácido nítrico (geralmente usando gaze de platina e ródio para oxidação de amônia)

Em muitos desses processos, a platina opera em altas temperaturas e em ambientes corrosivos, onde metais menos nobres se degradariam rapidamente.

Produção de silicone e produtos químicos especiais

Os catalisadores de platina são essenciais nas reações de hidrossililação usadas para produzir silicones. Esses materiais são amplamente aplicados em produtos eletrônicos, dispositivos médicos, selantes e revestimentos.

Tratamento de gases industriais e ambientais

A platina também é usada em processos de oxidação industrial, sistemas de purificação de ar e unidades de tratamento de gases residuais. Sua durabilidade e capacidade de reciclagem a tornam adequada para operações industriais de longo prazo e de alto rendimento.

Conclusão

O poder catalítico daplatina vem de uma rara combinação de propriedades: ela adsorve gases com eficiência, ativa ligações químicas com eficiência e permanece estável sob condições térmicas e químicas extremas. Nos conversores catalíticos, ela transforma gases de escape nocivos em emissões mais seguras. Nas células de combustível, permite a conversão eficiente da energia do hidrogênio. Em fábricas de produtos químicos, impulsiona reações industriais em larga escala com precisão e durabilidade.

Referências:

[1] Pianowska, Karolina & Kluczka, Joanna & Benke, Grzegorz & Goc, Karolina & Malarz, Joanna & Ochmański, Michał & Leszczyńska-Sejda, Katarzyna. (2023). Solvent Extraction as a Method of Recovery and Separation of Platinum Group Metals (Extração por solvente como método de recuperação e separação de metais do grupo da platina). Materiais. 16. 4681. 10.3390/ma16134681.