Una piccola quantità di compressione o allungamento può produrre un grande aumento delle prestazioni catalitiche, secondo un nuovo studio condotto da scienziati della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory.

La scoperta, pubblicato il 18 maggio in Comunicazioni sulla natura , si concentra su un catalizzatore industriale noto come ossido di cerio, o ceria, un materiale spugnoso comunemente usato nei convertitori catalitici, forni autopulenti e varie applicazioni di energia verde, come celle a combustibile e separatori d'acqua solari.

"Ceria immagazzina e rilascia ossigeno se necessario, come una spugna, ", ha affermato il coautore dello studio Will Chueh, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e uno scienziato della facoltà allo SLAC. "Abbiamo scoperto che allungare e comprimere la ceria di una piccola percentuale aumenta notevolmente la sua capacità di stoccaggio dell'ossigeno. Questa scoperta capovolge la saggezza convenzionale sui materiali a base di ossido e potrebbe portare a catalizzatori migliori".

Convertitori catalitici

La Ceria è stata a lungo utilizzata nei convertitori catalitici per aiutare a rimuovere gli inquinanti atmosferici dai sistemi di scarico dei veicoli.

"Nella tua macchina, ceria cattura l'ossigeno dal velenoso ossido di azoto, creando gas azoto innocuo, ", ha affermato l'autore principale dello studio Chirranjeevi Balaji Gopal, un ex ricercatore post-dottorato a Stanford. "Ceria quindi rilascia l'ossigeno immagazzinato e lo utilizza per convertire il monossido di carbonio letale in anidride carbonica benigna".

Gli studi hanno dimostrato che spremere e allungare la ceria provoca cambiamenti su scala nanometrica che influenzano la sua capacità di immagazzinare ossigeno.

"La capacità di stoccaggio dell'ossigeno della ceria è fondamentale per la sua efficacia come catalizzatore, ", ha affermato la coautrice dello studio Aleksandra Vojvodic, un ex scienziato del personale dello SLAC ora all'Università della Pennsylvania, che ha guidato l'aspetto computazionale di questo lavoro. "L'aspettativa teorica basata su studi precedenti è che lo stiramento della ceria aumenterebbe la sua capacità di immagazzinare ossigeno, mentre la compressione ridurrebbe la sua capacità di archiviazione."

Per verificare questa previsione, il team di ricerca ha coltivato pellicole ultrasottili di ceria, ciascuno di pochi nanometri di spessore, su supporti realizzati con materiali diversi. Questo processo sottoponeva la ceria a uno stress pari a 10, 000 volte l'atmosfera terrestre. Questo enorme stress ha causato la separazione e la compressione delle molecole di ceria a una distanza inferiore a un nanometro.

Risultati a sorpresa

Tipicamente, materiali come la ceria alleviano lo stress formando difetti nel film. Ma l'analisi su scala atomica ha rivelato una sorpresa.

"Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione per risolvere la posizione dei singoli atomi, abbiamo mostrato che i film rimangono stirati o compressi senza formare tali difetti, permettendo allo stress di rimanere in piena forza, " ha detto Robert Sinclair, un professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford.

Per misurare l'impatto dello stress in condizioni operative reali, i ricercatori hanno analizzato i campioni di ceria utilizzando i brillanti fasci di luce a raggi X prodotti presso la sorgente di luce avanzata del Lawrence Berkeley National Laboratory.

I risultati sono stati ancora più sorprendenti.

"Abbiamo scoperto che i film tesi mostravano un aumento di quattro volte della capacità di stoccaggio dell'ossigeno della ceria, " Gopal ha detto. "Non importa se lo allunghi o lo comprimi. Ottieni un aumento notevolmente simile."

La tecnica ad alto stress utilizzata dal gruppo di ricerca è facilmente realizzabile attraverso la nanoingegneria, Chueh ha aggiunto.

"Questa scoperta ha implicazioni significative su come nanoingegnerizzare materiali a base di ossido per migliorare l'efficienza catalitica per la conversione e lo stoccaggio dell'energia, " ha detto. "È importante per lo sviluppo di celle a combustibile a ossido solido e altre tecnologie di energia verde, compresi nuovi modi per produrre combustibili puliti dall'anidride carbonica o dall'acqua".