Catturare l'anidride carbonica (CO2) e convertirla in sostanze chimiche utili come il metanolo potrebbe ridurre sia l'inquinamento che la nostra dipendenza dai prodotti petroliferi. Quindi gli scienziati sono molto interessati ai catalizzatori che facilitano tali conversioni chimiche. Come gli affaristi molecolari, i catalizzatori riuniscono le sostanze chimiche che reagiscono in un modo che rende più facile per loro rompere e riorganizzare i loro legami chimici. La comprensione dei dettagli di queste interazioni molecolari potrebbe indicare strategie per migliorare i catalizzatori per reazioni più efficienti dal punto di vista energetico.

Con questo obiettivo in mente, i chimici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e i loro collaboratori hanno appena pubblicato i risultati di esperimenti e studi di modellazione computazionale che identificano in modo definitivo il "sito attivo" di un catalizzatore comunemente usato per produrre metanolo dalla CO2. I risultati, pubblicato sulla rivista Scienza , risolvere un dibattito di lunga data su quali componenti catalitici prendono parte esattamente alle reazioni chimiche e dovrebbe essere al centro degli sforzi per aumentare le prestazioni.

"Questo catalizzatore fatto di rame, ossido di zinco, e ossido di alluminio-viene utilizzato nell'industria, ma non è molto efficiente o selettivo, " ha detto il chimico di Brookhaven Ping Liu, l'autore principale dello studio, che ricopre anche una posizione aggiuntiva presso la vicina Stony Brook University (SBU). "Vogliamo migliorarlo, e farlo funzionare a temperature e pressioni più basse, che farebbe risparmiare energia, " lei disse.

Ma prima di questo studio, diversi gruppi di scienziati avevano proposto due diversi siti attivi per il catalizzatore, una porzione del sistema con solo atomi di rame e zinco, o una porzione con ossido di rame e zinco.

"Volevamo sapere quale parte della struttura molecolare si lega, si rompe e crea legami per convertire i reagenti in prodotti e come lo fa, " ha detto il co-autore Jose Rodriguez, un altro chimico Brookhaven associato alla SBU.

Per scoprirlo, Rodriguez ha eseguito una serie di esperimenti di laboratorio utilizzando catalizzatori modello ben definiti, di cui una composta da nanoparticelle di zinco supportate su una superficie di rame, e un altro con nanoparticelle di ossido di zinco su rame. Per distinguere i due, ha usato un raggio di raggi X energetico per eliminare i campioni, e misurato le proprietà degli elettroni emessi. Queste "firme" elettroniche contengono informazioni sullo stato di ossidazione degli atomi da cui provengono gli elettroni, se zinco o ossido di zinco.

Nel frattempo Liu, Jingguang Chen del Brookhaven Lab e della Columbia University, e Shyam Kattel, il primo autore del documento e un borsista post-dottorato co-consigliato da Liu e Chen, ha utilizzato risorse computazionali presso il Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) e il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) - due DOE Office of Science User Facilities - per modellare come questi due tipi di catalizzatori si sarebbero impegnati nelle trasformazioni da CO2 a metanolo . Questi studi teorici utilizzano calcoli che tengono conto dei principi di base della rottura e della creazione di legami chimici, compresa l'energia necessaria, gli stati elettronici degli atomi, e le condizioni di reazione, consentendo agli scienziati di derivare i tassi di reazione e determinare quale catalizzatore darà il miglior tasso di conversione.

"Abbiamo scoperto che l'ossido di rame e zinco dovrebbe dare i migliori risultati, e che lo zinco rame non è nemmeno stabile in condizioni di reazione, " disse Liu. "In effetti, reagisce con l'ossigeno e si trasforma in ossido di rame e zinco."

Quelle previsioni corrispondevano a quanto osservato da Rodriguez in laboratorio. "Abbiamo scoperto che tutti i siti che partecipano a queste reazioni erano ossido di rame e zinco, " Egli ha detto.

Ma non dimenticare il rame.

"Nelle nostre simulazioni, tutti gli intermedi di reazione, le sostanze chimiche che si formano nel percorso dalla CO2 al metanolo, si legano sia all'ossido di rame che a quello di zinco, "Ha detto Kattel. "Quindi c'è una sinergia tra il rame e l'ossido di zinco che accelera la trasformazione chimica. Hai bisogno sia del rame che dell'ossido di zinco."

L'ottimizzazione dell'interfaccia rame/ossido di zinco diventerà il principio trainante per la progettazione di un nuovo catalizzatore, dicono gli scienziati.

"Questo lavoro dimostra chiaramente la sinergia derivante dalla combinazione di sforzi teorici e sperimentali per lo studio di sistemi catalitici di importanza industriale, " ha detto Chen. "Continueremo a utilizzare gli stessi approcci combinati negli studi futuri".

Per esempio, disse Rodriguez, "Proveremo diverse configurazioni degli atomi all'interfaccia rame/ossido di zinco per vedere come questo influenza la velocità di reazione. Inoltre, passeremo dallo studio del sistema modello a sistemi che sarebbero più pratici per l'uso da parte dell'industria".

Uno strumento essenziale per questo prossimo passo sarà la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven, un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science. NSLS-II produce fasci di raggi X estremamente luminosi, circa 10, 000 volte più luminoso della sorgente di raggi X da laboratorio a fascio largo utilizzata in questo studio. Questi intensi raggi di raggi X consentiranno agli scienziati di scattare istantanee ad alta risoluzione che rivelano informazioni sia strutturali che chimiche sul catalizzatore, i reagenti, e gli intermedi chimici che si formano durante la reazione.

"E continueremo ad espandere la teoria, " ha detto Liu. "La teoria indica i dettagli meccanicistici. Vogliamo modificare le interazioni all'interfaccia rame/ossido di zinco per vedere come ciò influenzi l'attività e l'efficienza del catalizzatore, e avremo bisogno della teoria per andare avanti anche con quello".