Praticamente tutta la produzione di prodotti chimici e combustibili si basa su catalizzatori, che accelerano le reazioni chimiche senza consumarsi nel processo. La maggior parte di queste reazioni ha luogo in enormi reattori e può richiedere temperature e pressioni elevate.

Gli scienziati hanno lavorato su modi alternativi per guidare queste reazioni con l'elettricità, piuttosto che il calore. Ciò potrebbe potenzialmente consentire a basso costo, efficiente, produzione distribuita alimentata da fonti rinnovabili di energia elettrica.

Ma i ricercatori specializzati in questi due approcci, calore contro elettricità, tendono a lavorare in modo indipendente, sviluppo di diversi tipi di catalizzatori su misura per i loro ambienti di reazione specifici.

Una nuova linea di ricerca mira a cambiarlo. Scienziati dell'Università di Stanford e dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno riferito oggi di aver realizzato un nuovo catalizzatore che funziona sia con il calore che con l'elettricità. Basato su atomi di nichel, il catalizzatore accelera una reazione per trasformare l'anidride carbonica in monossido di carbonio, il primo passo per produrre combustibili e sostanze chimiche utili dalla CO ₂ .

I risultati rappresentano un passo importante verso l'unificazione della comprensione delle reazioni catalitiche in queste due condizioni molto diverse con forze trainanti distinte in gioco, disse Tommaso Jaramillo, professore presso SLAC e Stanford e direttore del SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis, dove si è svolta la ricerca.

"Questa è una rarità nel nostro campo, " ha detto. "Il fatto che potremmo riunirlo in un unico quadro per guardare lo stesso materiale è ciò che rende questo lavoro speciale, e apre una strada completamente nuova per guardare ai catalizzatori in un modo molto più ampio".

I risultati spiegano anche come il nuovo catalizzatore guidi questa reazione chiave più velocemente quando viene utilizzato in un reattore elettrochimico, ha detto il gruppo di ricerca. Il loro rapporto è apparso nell'edizione cartacea di Angewandte Chemie questa settimana.

Verso un futuro della chimica sostenibile

Trovare modi per trasformare la CO ₂ in prodotti chimici, combustibili, e altri prodotti, dal metanolo alla plastica e al gas naturale sintetico, è uno dei principali obiettivi della ricerca SUNCAT. Se fatto su larga scala utilizzando energia rinnovabile, potrebbe creare incentivi di mercato per il riciclaggio dei gas serra. Ciò richiederà una nuova generazione di catalizzatori e processi per eseguire queste trasformazioni in modo economico ed efficiente su scala industriale, e fare queste scoperte richiederà nuove idee.

Alla ricerca di nuove direzioni, SUNCAT ha formato un team di Ph.D. studenti che coinvolgono tre gruppi di ricerca nel dipartimento di ingegneria chimica di Stanford:Sindhu Nathan del gruppo della professoressa Stacey Bent, la cui ricerca si concentra sulle reazioni catalitiche guidate dal calore, e David Koshy, che è co-consigliato da Jaramillo e dal professor Zhenan Bao e si è concentrato sulle reazioni elettrochimiche.

Il lavoro di Nathan è stato finalizzato alla comprensione delle reazioni catalitiche guidate dal calore a un punto fondamentale, livello atomico.

"Le reazioni guidate dal calore sono ciò che è comunemente usato nell'industria ora, " ha detto. "E per alcune reazioni, un processo guidato dal calore sarebbe difficile da implementare perché potrebbe richiedere temperature e pressioni molto elevate per ottenere la reazione desiderata per procedere".

Le reazioni di guida con l'elettricità potrebbero rendere più efficienti alcune trasformazioni, Koshy ha detto, "perché non devi scaldare le cose, e puoi anche rendere più piccoli reattori e altri componenti, più economico e più modulare, inoltre è un buon modo per sfruttare le risorse rinnovabili."

Gli scienziati che studiano questi due tipi di reazioni lavorano in parallelo e raramente interagiscono, quindi non hanno molte opportunità di ottenere informazioni l'uno dall'altro che potrebbero aiutarli a progettare catalizzatori più efficaci.

Ma se i due campi potessero lavorare sullo stesso catalizzatore, stabilirebbe una base per unificare la loro comprensione dei meccanismi di reazione in entrambi gli ambienti, disse Jaramillo. "Avevamo ragioni teoriche per pensare che lo stesso catalizzatore avrebbe funzionato in entrambe le serie di condizioni di reazione, " Egli ha detto, "ma questa idea non era stata testata."

Una nuova strada per la scoperta di catalizzatori

Per i loro esperimenti, il team ha scelto un catalizzatore che Koshy ha recentemente sintetizzato chiamato NiPACN. Le parti attive del catalizzatore, i punti in cui afferra le molecole di passaggio, li fa reagire e rilascia i prodotti, costituiti da singoli atomi di nichel legati ad atomi di azoto che sono sparsi in tutto il materiale di carbonio. La ricerca di Koshy aveva già stabilito che NiPACN può guidare determinate reazioni elettrochimiche con alta efficienza. Potrebbe fare lo stesso in condizioni termiche?

Per rispondere a questa domanda, il team ha portato il catalizzatore in polvere alla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC. Hanno lavorato con il Distinguished Staff Scientist Simon Bare per sviluppare un piccolo reattore in cui il catalizzatore potrebbe accelerare una reazione tra idrogeno e anidride carbonica ad alte temperature e pressione. La configurazione ha permesso loro di illuminare i raggi X nella reazione attraverso una finestra e osservare la reazione procedere.

In particolare, volevano vedere se le dure condizioni all'interno del reattore cambiassero il catalizzatore in quanto facilitava la reazione tra idrogeno e CO ₂ .

"La gente potrebbe dire, come fai a sapere che la struttura atomica non è cambiata, rendendolo un catalizzatore leggermente diverso da quello che avevamo testato in precedenza nelle reazioni elettrochimiche?" Ha detto Koshy. "Dovevamo dimostrare che i centri di reazione del nichel sembrano ancora gli stessi quando la reazione è terminata".

Questo è esattamente ciò che hanno trovato quando hanno esaminato il catalizzatore in dettaglio atomico prima e dopo la reazione con i raggi X e la microscopia elettronica a trasmissione.

Andando avanti, il gruppo di ricerca ha scritto, studi come questo saranno essenziali per unificare lo studio dei fenomeni catalitici attraverso gli ambienti di reazione, che alla fine rafforzerà gli sforzi per scoprire nuovi catalizzatori per trasformare le industrie chimiche e dei combustibili.