Un gruppo internazionale di scienziati ha svelato il segreto di un catalizzatore a base d'oro responsabile di un nuovo, metodo ecologico per produrre il cloruro di vinile monomero (VCM) utilizzato per produrre cloruro di polivinile (PVC), la terza plastica più utilizzata al mondo.

Utilizzando tecniche di spettroscopia basate su sincrotrone e microscopia elettronica avanzata, i ricercatori hanno determinato che gli ioni d'oro isolati convertono più efficacemente l'acetilene, un gas derivato dal carbone, alle molecole di VCM che possono essere successivamente legate per formare PVC.

La loro scoperta arriva tra gli sforzi per sostituire il metodo convenzionale di conversione dell'acetilene, che utilizza un catalizzatore contenente mercurio volatile e potenzialmente tossico, con un più stabile, metodo non inquinante che impiega un catalizzatore d'oro supportato da carbonio.

I ricercatori, che provengono dal Regno Unito e dagli Stati Uniti, hanno riportato i loro risultati oggi (30 marzo) in Scienza rivista, la rivista scientifica più importante al mondo, in un articolo intitolato "Identificazione della catalisi dell'oro a sito singolo nella clorurazione dell'acetilene".

L'autore principale dell'articolo è Grazia Malta del Cardiff Catalysis Institute presso l'Università di Cardiff nel Regno Unito, sotto la supervisione di Graham J. Hutchings, direttore dell'Istituto. I partecipanti alla ricerca della Lehigh University erano Christopher J. Kiely, professore di scienza dei materiali e ingegneria chimica e Li Lu, un dottorato di ricerca candidato in scienze dei materiali. Kiely è anche co-direttore del Cardiff Catalysis Institute.

Il gruppo ha esaminato i catalizzatori prima e dopo l'uso nel microscopio elettronico a trasmissione a scansione JEOL JEM-ARM200CF di Lehigh corretto per l'aberrazione (STEM), che è uno degli strumenti più potenti del suo genere e consente l'imaging e l'analisi chimica dei materiali a livello atomico.

Il gruppo ha anche eseguito esperimenti di struttura fine di assorbimento di raggi X estesa (EXAFS) e di struttura di assorbimento di raggi X vicino al bordo (XANES) utilizzando il Diamond Synchrotron Facility nel Regno Unito per studiare il catalizzatore in condizioni di reazione di lavoro.

"Questi esperimenti ci hanno aiutato a determinare che l'oro disperso atomicamente, in cui gli atomi sono separati sul supporto di carbonio e non si toccano, è la forma ideale di specie catalitiche per questa reazione, "dice Kiely.

"Ci hanno anche mostrato che è necessario che gli atomi d'oro siano ionizzati, cioè, mancano alcuni dei loro elettroni, perché avvenga la conversione."

Guidato da C. Richard A. Catlow del Cardiff Catalysis Institute e dell'University College di Londra, il gruppo ha anche modellato teoricamente la reazione utilizzando ioni d'oro isolati e ha confermato i risultati sperimentali.

"Gli scienziati sanno che è possibile utilizzare l'oro disperso atomicamente in reazioni catalizzate omogenee eseguite in soluzione, " dice Kiely. "Ecco, siamo riusciti ad ancorare l'oro atomicamente disperso su un supporto solido e ottenere un effetto simile."

Kiely e Hutchings, che collaborano da diversi decenni, riportato in un articolo sulla rivista Nature Communications l'anno scorso che per un'altra reazione, vale a dire l'ossidazione a bassa temperatura del monossido di carbonio in anidride carbonica, una diversa entità d'oro - ammassi ultra-piccoli costituiti da pochi atomi d'oro - erano le specie più attive.

I risultati di entrambi questi progetti aiuteranno Kiely e Hutchings a progettare e ottimizzare sistemi di catalizzatori a base d'oro da utilizzare in altre importanti reazioni, come la reazione water-gas-shift, che genera idrogeno.

Il PVC è diventato una parte indispensabile della vita moderna. Le sue applicazioni includono tubi da costruzione, carte di credito, infissi e serramenti, attrezzature idrauliche, e isolamento dei cavi elettrici.

Oltre alla clorurazione di acetilene, la molecola VCM precursore del PVC può essere costituita da etilene, un sottoprodotto della raffinazione del petrolio che può essere anche isolato dal gas naturale. Ma la clorazione dell'acetilene rimane il percorso predominante per la produzione di PVC in alcuni paesi che hanno abbondanti riserve di carbone.

Per convertire l'acetilene derivato dal carbone nel precursore del VCM, dice Kiely, gli ingegneri chimici nell'ultimo mezzo secolo lo hanno fatto reagire con acido cloridrico (HCl) in presenza di un catalizzatore di cloruro mercurico. Ma il catalizzatore è volatile alle temperature di reazione, lasciando evaporare il mercurio tossico, fuggire nell'ambiente e inquinare terreni agricoli e corpi idrici.

All'inizio degli anni '80, Hutchings ha mostrato che un più benigno, catalizzatore d'oro supportato da carbonio potrebbe essere utilizzato per convertire l'acetilene in VCM. La sua scoperta attirò una certa attenzione all'epoca, ma non fu sfruttato commercialmente poiché il catalizzatore richiedeva quantità relativamente grandi di oro costoso e non era molto stabile.

Nel 2007, Johnson Mattey, un'azienda globale di prodotti chimici speciali con sede nel Regno Unito, si interessò ai risultati di Hutchings e iniziò a lavorare per creare un catalizzatore stabile oro su carbonio usando meno oro. L'azienda ha sviluppato un catalizzatore denominato Pricat MFC, che ora è entrato in uso commerciale in un grande impianto cinese di PVC. Cina, il più grande produttore e consumatore mondiale di PVC, fa ancora affidamento sul carbone per produrre il prodotto VCM.

Nel frattempo, la Convenzione di Minamata del 2013 su Mercurio, che è stato firmato da quasi 140 nazioni, vieta la costruzione di nuovi impianti CVM che utilizzano cloruro mercurico dopo il 2017 e richiede che tutti gli impianti CVM siano privi di mercurio entro il 2022.

I primi lavori di Hutchings, gli sforzi di commercializzazione di Johnson Matthey e la più recente scoperta del funzionamento su scala atomica del catalizzatore d'oro supportato dal carbonio, dice Kiely, dare motivo di sperare che gli obiettivi della Convenzione di Minamata possano essere raggiunti.

Rappresentano anche un risultato quasi senza precedenti nel campo della catalisi.

"Gli scienziati modificano e ottimizzano sempre le formulazioni dei catalizzatori, " dice Kiely. "Ma, questa è la prima volta in 50 anni che ricordo quando abbiamo sostituito un catalizzatore standard del settore utilizzato in una reazione importante con un sistema di catalizzatore completamente diverso".