In questa illustrazione su scala atomica, tracce di ossigeno (rosso) appena sotto una superficie di rame (blu), svolgono un ruolo chiave nel guidare una reazione catalitica in cui l'anidride carbonica (molecole nere e rosse) e l'acqua (molecole rosse e bianche) interagiscono nelle fasi iniziali della formazione dell'etanolo. Le molecole di anidride carbonica si librano sulla superficie del rame e poi si piegano per accettare atomi di idrogeno dalle molecole d'acqua. Gli esperimenti a raggi X presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab hanno aiutato i ricercatori a comprendere il ruolo dell'ossigeno nel sottosuolo in questo processo. Credito:Berkeley Lab
Durante l'utilizzo dei raggi X per studiare le prime fasi di un processo chimico in grado di riformulare l'anidride carbonica in composti più utili, compresi i combustibili liquidi, i ricercatori sono rimasti sorpresi quando l'esperimento ha insegnato loro qualcosa di nuovo su ciò che guida questa reazione.
Una tecnica a raggi X presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab), insieme al lavoro teorico di un team del California Institute of Technology, Pasadena (Caltech), ha rivelato come gli atomi di ossigeno incorporati molto vicino alla superficie di un campione di rame abbiano avuto un effetto più drammatico sulle prime fasi della reazione con l'anidride carbonica di quanto le teorie precedenti potessero spiegare.
Queste informazioni potrebbero rivelarsi utili nella progettazione di nuovi tipi di materiali per migliorare ulteriormente le reazioni e renderle più efficienti nella conversione dell'anidride carbonica in altri prodotti. Grandi concentrazioni di anidride carbonica sono dannose per la salute e per l'ambiente, così i ricercatori hanno cercato modi per rimuoverlo dall'atmosfera e conservarlo in modo sicuro o convertirlo chimicamente in forme più vantaggiose.
Per spiegare cosa c'era al lavoro, il team di ricerca ha sviluppato modelli al computer, e revisionò le teorie esistenti per spiegare a cosa stavano assistendo negli esperimenti. I loro risultati sono stati pubblicati online il 12 giugno nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze rivista.
Il rame è un catalizzatore comune, un materiale utilizzato per attivare e accelerare le reazioni chimiche e, anche se non è efficiente, aiuta nella produzione di etanolo se esposto ad anidride carbonica e acqua. Nella reazione studiata, il rame aiuta a scomporre e ricomporre chimicamente l'anidride carbonica e le molecole d'acqua in altre molecole.
"Abbiamo trovato più di quanto pensavamo di trovare da questa indagine fondamentale, " ha detto Ethan Crumlin, uno scienziato dell'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab che ha co-diretto lo studio con i ricercatori Junko Yano del Joint Center for Artificial Photosintesi (JCAP), al Berkeley Lab, e William Goddard III, al Caltech.
Gli scienziati stanno cercando modi per ridurre i livelli dannosi per l'ambiente di anidride carbonica dalle emissioni dei veicoli e da altre fonti migliorando i processi chimici che convertono l'anidride carbonica in etanolo (struttura molecolare mostrata qui) per l'uso in combustibili liquidi, Per esempio. Gli esperimenti con i raggi X al Berkeley Lab hanno aiutato a mostrare cosa funziona nelle prime fasi delle reazioni chimiche che convertono l'anidride carbonica e l'acqua in etanolo. Credito:immagine composita/Wikimedia Commons
L'ALS è una struttura di ricerca a raggi X nota come sincrotrone che ha dozzine di linee di raggio sperimentali per esplorare un'ampia gamma di proprietà microscopiche nella materia, e JCAP si concentra su come convertire l'anidride carbonica, acqua, e la luce solare in combustibili rinnovabili.
"Avere atomi di ossigeno appena sotto la superficie, uno strato di subossido, è un aspetto critico per questo, " Ha detto Crumlin. Il lavoro a raggi X ha portato nuova chiarezza nel determinare la giusta quantità di questo ossigeno nel sottosuolo e il suo ruolo nelle interazioni con l'anidride carbonica e l'acqua per migliorare la reazione.
"Comprendendo questo strato di subossido, e il subossido a contatto con l'acqua, è parte integrante del modo in cui l'acqua interagisce con l'anidride carbonica" in questo tipo di reazione, Ha aggiunto.
Goddard e i suoi colleghi del Caltech hanno lavorato a stretto contatto con i ricercatori del Berkeley Lab per sviluppare e perfezionare una teoria della meccanica quantistica che si adattasse alle osservazioni dei raggi X e spiegasse la struttura elettronica delle molecole nella reazione.
"Questo è stato un buon looping, processo iterativo, "Crumlin ha detto. "Solo essere curiosi e non accontentarsi di una semplice risposta ha pagato. Tutto ha iniziato a formarsi come una storia coesa".
Goddard ha detto, "Questo avanti e indietro tra teoria ed esperimento è un aspetto entusiasmante della ricerca moderna e una parte importante della strategia JCAP per produrre combustibili dall'anidride carbonica". Il team di Caltech ha utilizzato i computer per aiutare a capire come gli elettroni e gli atomi si riorganizzano nella reazione.
Questa immagine di microscopia elettronica a scansione a falsi colori mostra dettagli microscopici sulla superficie di una lamina di rame che è stata utilizzata come catalizzatore in una reazione chimica studiata presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab. La barra della scala rappresenta 50 micron, o milionesimi di metro. Credito:Berkeley Lab
Alla SLA del Berkeley Lab, i ricercatori hanno arruolato una tecnica a raggi X nota come APXPS (spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente mentre esponevano un foglio sottile di un rame appositamente trattato, noto come Cu(111), al gas di anidride carbonica e aggiungevano acqua a temperatura ambiente.
Negli esperimenti in corso hanno riscaldato leggermente il campione in ossigeno per variare la concentrazione di ossigeno incorporato nella lamina, e ha usato i raggi X per sondare le prime fasi di come l'anidride carbonica e l'acqua reagiscono sinergicamente con diverse quantità di ossido sotto la superficie sulla superficie del rame.
Gli studi a raggi X, ideato e interpretato da Marco Favaro, l'autore principale dello studio, ha rivelato come le molecole di anidride carbonica si scontrano con la superficie del rame, quindi passa sopra di esso in uno stato debolmente legato. Le interazioni con le molecole d'acqua servono a piegare le molecole di anidride carbonica in modo da consentire loro di rimuovere gli atomi di idrogeno dalle molecole d'acqua. Questo processo alla fine forma etanolo, un tipo di combustibile liquido.
"La modesta quantità di ossigeno nel sottosuolo contribuisce a generare una miscela di rame metallico e carico che può facilitare l'interazione con l'anidride carbonica e favorire ulteriori reazioni in presenza di acqua, " ha detto Crumlin.
Il rame ha alcuni difetti come catalizzatore, Yano ha notato, ed è attualmente difficile controllare il prodotto finale che un determinato catalizzatore genererà.
"Se sappiamo cosa sta facendo la superficie, e qual è il modello per questa interazione chimica, allora c'è un modo per imitarlo e migliorarlo, " Ha detto Yano. Il lavoro in corso può anche aiutare a prevedere l'output finale di un determinato catalizzatore in una reazione. "Sappiamo che il rame funziona, che dire delle diverse superfici di rame, leghe di rame, o diversi tipi di metalli e leghe?"
