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    La cooperazione multidisciplinare porta a catalizzatori fino a 50 volte più efficaci

    Le reazioni chimiche avvengono sulla superficie delle nanoparticelle bimetalliche. I ricercatori hanno scoperto che la disposizione dei due metalli in un design core-shell rende questi catalizzatori fino a 50 volte più efficienti. Credito:Università di Utrecht / Materiali naturali

    Un team di chimici e fisici dell'Università di Utrecht è riuscito a progettare un nuovo tipo di catalizzatore. Combinando due metalli con precisione atomica hanno creato un materiale catalitico altamente efficace. Il gruppo, guidato dal Prof. Petra de Jongh (Chimica) e dal Prof. Alfons van Blaaderen (Fisica), stanno pubblicando i loro risultati in Materiali della natura oggi.

    Nanoparticelle

    I catalizzatori hanno un forte impatto sulla nostra società. Circa il 90% di tutti i processi chimici industriali fa uso di un catalizzatore per accelerare le conversioni chimiche. Questi catalizzatori contengono tipicamente minuscole particelle metalliche, chiamate nanoparticelle, che sono circa 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano. La struttura e la composizione di queste nanoparticelle determinano la qualità del catalizzatore. Anche piccoli cambiamenti in queste nanoparticelle possono portare a grandi differenze nelle prestazioni, ponendo quindi significative implicazioni economiche e ambientali per la nostra società.

    Catalizzatori bimetallici:quando due è meglio di uno

    "Un importante sviluppo nel miglioramento delle prestazioni dei materiali catalitici è il passaggio dai catalizzatori convenzionali costituiti da un singolo metallo ai catalizzatori bimetallici in cui vengono combinati due metalli diversi, " spiega Petra de Jongh. Questi catalizzatori bimetallici funzionano meglio, ma anche dare origine a nuove sfide. "La sfida è che con le tecniche convenzionali si ha poco controllo sulla struttura delle nanoparticelle, con conseguente particelle con quantità variabili di entrambi i metalli, e diverse forme e dimensioni, ostacolando gravemente l'efficienza di questi catalizzatori bimetallici." Progettare catalizzatori bimetallici con precisione atomica era un obiettivo chiave per Jessi van der Hoeven, un dottorato di ricerca candidato che ha svolto la sua ricerca in due gruppi presso il Debye Institute for Nanomaterials, supervisionato congiuntamente da De Jongh (Chimica) e Van Blaaderen (Fisica).

    Disposizione degli atomi in un design core-shell

    Van der Hoeven ha trovato un modo per combinare due metalli, oro e palladio, in una nanoparticella strutturata nucleo-guscio controllando il numero di strati di atomi di palladio. Questi nuovi catalizzatori sono stati testati nell'idrogenazione selettiva del butadiene, un processo cruciale nella purificazione delle materie prime per la produzione di plastica. De Jongh nota, "Siamo stati molto entusiasti di vedere che con questo design core-shell abbiamo realizzato catalizzatori che hanno prestazioni fino a 50 volte migliori di quelli costituiti solo da oro o solo palladio, o una miscela casuale dei due."

    Van der Hoeven aggiunge, "Con nostra sorpresa abbiamo anche osservato che non solo il tipo di atomi sulla superficie della nanoparticella influisce sulle prestazioni, ma che anche la natura degli atomi negli strati sotto la superficie è importante." Con l'aiuto del teorico dell'Istituto di tecnologia di Karlsruhe (Germania) e degli spettroscopisti dell'Università della Sorbona di Parigi (Francia), coautori della pubblicazione, hanno studiato questo effetto in dettaglio.

    Tanto spazio in fondo

    Sebbene gli attuali catalizzatori core-shell in oro-palladio abbiano superato le loro aspettative, gli autori sono convinti che ci siano ancora molte opportunità di miglioramento. "Siamo solo all'inizio, " commenta van Blaaderen. "Ora che sappiamo come disporre gli atomi nelle nanoparticelle, la varietà di strutture e combinazioni di metalli che possiamo esplorare è enorme." Il loro sogno per il futuro è continuare a costruire materiali catalizzatori dal basso verso l'alto, ispirato dal fisico Richard Feynman, che già aveva predetto che "c'è molto spazio in fondo" per l'umanità per costruire materiali atomo per atomo. O in questo caso, strato per strato.


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