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    I cluster di metalli nobili possono migliorare le prestazioni dei catalizzatori e risparmiare risorse

    Rappresentazione schematica di un catalizzatore di metallo nobile con singoli atomi inattivi (sinistra) e cluster attivi (destra; metallo nobile:bianco; metallo vettore:giallo; ossigeno:rosso). Credito:Florian Maurer, KIT

    Miliardi di catalizzatori di metalli nobili sono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di prodotti chimici, generazione di energia, o pulire l'aria. Però, le risorse necessarie a questo scopo sono costose e la loro disponibilità è limitata. Per ottimizzare l'uso delle risorse, sono stati sviluppati catalizzatori basati su singoli atomi di metallo. Un team di ricerca del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ha dimostrato che gli atomi di metalli nobili possono assemblarsi per formare cluster in determinate condizioni. Questi cluster sono più reattivi dei singoli atomi e, quindi, i gas di scarico possono essere rimossi molto meglio. I risultati sono riportati in Catalisi della natura .

    I catalizzatori di metalli nobili sono utilizzati per un'ampia gamma di reazioni. Tra gli altri, sono applicati in quasi tutti i processi di combustione per ridurre le emissioni inquinanti. Spesso, sono costituiti da particelle molto piccole del componente attivo, come un metallo nobile, che vengono applicati a un materiale di supporto. Queste cosiddette nanoparticelle sono composte da diverse migliaia di atomi di metallo. "Ma solo gli atomi all'esterno sono attivi nella reazione, mentre la maggior parte degli atomi rimane inutilizzata, " spiega il professor Jan-Dierk Grunwaldt dell'Istituto KIT per la tecnologia chimica e la chimica dei polimeri (ITCP). Modificando le condizioni operative, la struttura di tale catalizzatore e, quindi, la sua attività può essere modificata.

    "Alle alte temperature nel sistema di scarico di un'auto, che si raggiungono durante un lungo viaggio in autostrada, ad esempio, l'interazione tra il metallo nobile e il vettore può portare alla formazione di singoli atomi, cioè isolato, atomi di metallo separati sul supporto, " Dice Grunwaldt. "Ci si potrebbe aspettare che tali catalizzatori a singolo atomo raggiungano un tasso di utilizzo molto elevato dei componenti di metalli nobili, perché tutti gli atomi possono teoricamente partecipare alla reazione." Contrariamente a questa aspettativa, però, la squadra di Grunwaldt, in collaborazione con i professori Christof Wöll dell'Institute of Functional Interfaces of KIT e Felix Studt dell'Institute of Catalysis Research and Technology di KIT, ha scoperto che questi atomi devono prima formare cluster di metalli nobili in condizioni di reazione per diventare attivi.

    I ricercatori hanno specificamente indotto la formazione di singoli atomi e hanno esaminato a fondo la loro struttura durante la reazione. Con l'aiuto di spettroscopia altamente specializzata e calcoli teorici, utilizzati per la prima volta per questa classe di catalizzatori, il team è riuscito a spiegare perché gli atomi di platino hanno spesso una bassa attività. "Per convertire gli inquinanti, di solito devono reagire con l'ossigeno nel catalizzatore. Per questo, entrambi i componenti devono essere disponibili nello stesso momento e luogo, che non può essere raggiunto per atomi di platino isolati, poiché l'ossigeno per la reazione richiesta è troppo fortemente legato al componente vettore, nel nostro caso l'ossido di cerio, " afferma Florian Maurer di ITCP, uno dei principali autori dello studio. "Dopo aver rotto i legami platino-ossido di cerio, gli atomi di platino possono muoversi attraverso la superficie del supporto. In un passaggio successivo, questi atomi di platino formano piccoli ammassi di platino, su cui la reazione avviene molto più velocemente che sui singoli atomi."

    I cluster hanno una struttura ottimale per un'elevata attività

    Gli studi del team dimostrano che né le nanoparticelle né gli atomi isolati raggiungono la massima attività. "L'optimum sta nel mezzo. È raggiunto da piccoli grappoli di metalli nobili, " dice Grunwaldt. "La stabilizzazione di questi gruppi di metalli nobili potrebbe essere la chiave per ridurre sostanzialmente il consumo di metalli nobili durante la produzione di catalizzatori. Per anni, una distribuzione sempre più fine del componente di metallo nobile è stata una delle principali strategie nella progettazione di nuovi catalizzatori. I nostri esperimenti hanno ora rivelato i limiti nell'intervallo atomico." I risultati dello studio saranno ora utilizzati per la progettazione e lo sviluppo basati sulla conoscenza di catalizzatori di maggiore stabilità e attività a lungo termine. Questo sarà uno dei principali obiettivi del lavoro di il centro gas di scarico di Karlsruhe di KIT, il cui direttore scientifico, Dott.ssa Maria Casapu, è coautore dello studio.


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