Cientistas da Universidade de Tohoku demonstraram que reorganizar átomos de nitrogênio em torno de um único átomo de cobalto altera de forma decisiva a eficiência da reação de redução de oxigênio (ORR), processo central em células a combustível e na produção sustentável de peróxido de hidrogênio.
O estudo, publicado em 26 de fevereiro de 2026 no Journal of the American Chemical Society, avaliou catalisadores metal-nitrogênio-carbono (M-N-C) de cobalto em que a coordenação do metal foi controlada com precisão atômica. A equipe criou uma série de catalisadores moleculares heterogêneos ao depositar complexos organometálicos de cobalto em nanotubos de carbono inertes, obtendo sítios ativos Co-Nx com x = 3, 4 e 5.
Como o experimento foi conduzido
Quatro precursores moleculares com simetrias de ligantes distintas permitiram modular o ambiente de coordenação do cobalto. A comparação entre estruturas assimétricas e simétricas possibilitou correlacionar diretamente a configuração atômica com o desempenho catalítico.
Resultados eletroquímicos
Medições mostraram que sítios assimétricos Co-N3 apresentaram maior atividade geral de ORR, enquanto centros de baixa simetria Co-N5 alcançaram a maior seletividade para a via de dois elétrons, preferindo a formação de peróxido de hidrogênio. Já as configurações simétricas Co-N4 exibiram atividade inferior.
Confirmação teórica e análises operando
Cálculos de teoria do funcional da densidade (DFT) reproduziram os resultados experimentais e confirmaram a relação entre estrutura e atividade. Estudos operando e análises cinéticas indicaram que átomos de carbono ou nitrogênio presentes nos sítios assimétricos Co-N3 e Co-N5 podem ser protonados durante a reação, atuando como relés de prótons e explicando o desempenho superior desses catalisadores.
Imagem: Internet
“Nosso trabalho mostra que o desempenho catalítico não depende apenas do átomo metálico, mas da arquitetura do seu ambiente de coordenação imediato”, afirmou Hao Li, professor da WPI-AIMR da Universidade de Tohoku.
Todos os dados experimentais e computacionais foram disponibilizados na plataforma Digital Catalysis, medida que visa acelerar o desenvolvimento de novos catalisadores de átomo único para conversão de energia renovável.
Com informações de Nanowerk
