Estudo químico quântico da adsorção de H2 em platina

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Físico-Química

Autores

Pimentel, Y.D.G. (IFAL) ; Ferreira, J.V. (IFAL)

Resumo

Em uma reação de catálise heterogênea, o ciclo catalítico consiste de uma etapa inicial de adsorção fraca, também chamada de adsorção física, em que a espécie adsorvida é ligada á superfície através de uma interação do tipo Van der Walls. Neste trabalho através de métodos de química quântica identificamos um estado de mais baixa energia para a adsorção de H2 em uma superfície de platina, correspondente ao estado pré-dissociativo.

Palavras chaves

molécula; adsorção; energia

Introdução

Quando uma molécula gasosa se aproxima de uma superfície sólida, diferentes processos podem ocorrer: ela pode ser refletida sem perder energia, pode perder energia para a superfície, provocando sua excitação vibracional e eletrônica, e ser espalhada inelasticamente ou ficar ligada a superfície. Quando perde energia suficiente para ficar presa na superfície, ocorre o fenômeno chamado de adsorção(NASCENTE, 1991). Tanto do ponto de vista teórico quanto experimental, a adsorção tem um papel muito importante em diversos processos de interesse tecnológico como a catálise heterogênea. A ligação é formada quando os elétrons responsáveis pela ligação se movem em orbitais formados entre o substrato e o adsorvido. Através de uma análise da distribuição eletrônica sobre os fragmentos dos orbitais ligantes e/ou antiligantes do complexo adsorbato-superfície, obtêm-se uma idéia da força da interação e da reatividade do adsorbato. Na grande maioria das reações em catálise heterogênea o ciclo catalítico consiste de uma etapa inicial de adsorção, seguida por uma reação na superfície (dissociação e recombinação), finalizado por uma dessorção dos produtos. Desde os trabalhos pioneiros de Fritz Haber na síntese da amônia, os metais de transição tem sido muito utilizados em processos catalíticos, destacando-se Fe, Ni, Pt e Pd. Neste trabalho, utilizou-se métodos de química quântica para mostrar o mecanismo de adsorção da molécula de hidrogênio em superfície de platina representada por um átomo.

Material e métodos

Utilizou-se métodos de química quântica ab initio DFT-B3PW91, com função de base Lanl2dz para o cálculo das energias nos programas de computador: GaussView 3.0 e Gaussian 2003 (FRISCH et AL, 2003).

Resultado e discussão

Comparou-se a energia para diferentes orientações da molécula de H2 na superfície de platina. Observa-se na figura 1, a existência de um mínimo de energia, em 70°. Nesse estado, a distância de ligação H-H é de 1,25 Å, o que muito difere da distância na molécula livre que é de 0,74 Å, provando que a molécula conseguiu se dissociar, encontrando-se bastante inclinada em relação a superfície.

A figura apresenta a curva de energia potencial da interação entre a molécula de hidrogênio e o átomo de platina.

Conclusões

O resultado obtido foi satisfatório, pois foi possível encontrar o estado de mais baixa energia para a molécula de H2 adsorvida no átomo de platina. Mostramos neste trabalho que a molécula de H2 é adsorvida numa geometria inclinada em relação a superfície, esse estado se caracteriza como precursor da dissociação.

Agradecimentos

À PETROBRAS pelo financiamento da bolsa de estudo para o desenvolvimento do projeto e ao IFAL pela disponibilidade de laboratórios.

Referências

• NASCENTE, P. A. P. Adsorção e ordenamento moleculares sobre paládio (111). Tese de doutorado, Unicamp, 1991, orientador: Sandra G. Carnicero de Castro.
• FRISCH, M. J. Gaussian 03, Revision B. 04. Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003.
• FERREIRA, J. V. Aplicações de Métodos da Química Quântica: Adsorção de H2 em Pd e um Modelo Molecular para Nucleons. 2008. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de Pernambuco.
• VIANA, J. D. M. ; FAZZIO, A. ; CANUTO, S. Teoria Quântica de Moléculas e Sólidos: Simulação Computacional. São Paulo: Ed. Livraria de Física, 2004.