Chimica dal vivo:utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, i ricercatori dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno potuto per la prima volta assistere in dettaglio all'attività dei catalizzatori durante una reazione elettrochimica. Le misurazioni mostrano come la struttura superficiale dei catalizzatori influenzi la loro attività. Il nuovo metodo di analisi può ora essere utilizzato per migliorare i catalizzatori per l'industria elettrochimica.

Nessuna transizione energetica senza catalizzatori:da soli, i processi chimici necessari per produrre gas idrogeno utilizzando l'elettricità, per riconvertire l'idrogeno in energia elettrica nelle celle a combustibile, o per convertire l'anidride carbonica in combustibile avvengono troppo lentamente per essere di utilità pratica. I catalizzatori accelerano la reazione senza esaurirsi.

"I catalizzatori sono di enorme importanza per l'industria. Quindi, l'industria ha un grande interesse a migliorare ulteriormente i materiali al fine di aumentare l'efficienza dei processi", spiega Aliaksandr Bandarenka, Professore di Fisica della Conversione e Stoccaggio dell'Energia al TUM.

Lavorando insieme al suo team, il chimico ha ora fornito un prerequisito cruciale per farlo:per la prima volta, un microscopio a scansione a effetto tunnel è stato utilizzato con successo per esaminare la superficie durante un processo catalitico. In questo modo, è stato possibile determinare in dettaglio le posizioni in cui la velocità di reazione e quindi l'attività dei catalizzatori è massima. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Natura .

Alla ricerca di centri attivi

Da molto tempo ormai, i ricercatori hanno sospettato che ci sia una relazione tra la struttura superficiale e l'attività di catalizzatori eterogenei, dove avvengono reazioni chimiche sulla superficie di confine tra un solido e un liquido o un gas. I catalizzatori eterogenei vengono utilizzati ad esempio nella produzione elettrolitica di gas idrogeno o per la pulizia dei gas di scarico dei veicoli.

"Però, le reazioni chimiche non avvengono alla stessa velocità in tutti i luoghi. Anziché, ci sono centri attivi sulla superficie dei catalizzatori", riferisce Bandarenka. "In precedenza, abbiamo dovuto fare affidamento su calcoli modello e misurazioni indirette per localizzare questi centri".

Con la nuova procedura di analisi, l'esistenza dei centri attivi può ora essere provata sperimentalmente. I campioni con materiali catalizzatori, tra cui platino e una combinazione di oro e palladio, vengono ricoperti da uno strato di elettrolita liquido ed esaminati utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel.

Mentre gli ioni idrogeno (cioè i protoni) ricevono elettroni dall'elettrodo, sulla superficie del catalizzatore, e formare idrogeno gassoso, la punta del microscopio scansiona la superficie del catalizzatore a una distanza di pochi angstrom. Punto per punto, viene ora misurata la "corrente di tunneling" che scorre tra la superficie e la punta. Un computer collegato al dispositivo registra i segnali.

Un mistero "rumoroso"

"Interessante, le correnti di tunneling non sono le stesse ovunque. Ci sono zone dove la corrente è più forte, ma scorre in modo non uniforme:è "rumoroso" ", riferisce Bandarenka. L'esistenza di questo rumore è nota da tempo, ma ad oggi, nessuno ha indagato sulle cause.

Durante la valutazione dei dati, il team TUM ha scoperto una relazione distinta tra l'intensità del rumore e i difetti sulla superficie dei catalizzatori:piccoli passi microscopici, bordi, o angoli. "Con l'aumentare del numero di difetti, così fa il rumore:più elettroni fluiscono e quindi anche più corrente", spiega Bandarenka.

Il principio del fast food

Al ricercatore piace confrontare il comportamento degli ioni con quello degli ospiti di un fast food:quando la seduta è scomoda, partono subito senza consumare nulla. D'altra parte, se i sedili sono estremamente comodi, restano seduti a lungo, bloccare i posti per i nuovi ospiti. È solo quando i posti a sedere non sono né troppo comodi né troppo scomodi che arrivano i clienti, mangiare, e ripartire.

Visto in termini di processi chimici durante l'elettrolisi, ciò significa quanto segue:se la superficie del catalizzatore è chimicamente troppo attraente o repellente per gli ioni idrogeno, la reazione si interrompe. Le aree più efficaci sono dove vengono attratti gli ioni, ma non rimanerci troppo a lungo.

Meno vicini creano reazioni migliori

Piccoli difetti nel reticolo atomico, ma anche i confini tra i materiali - per esempio palladio su oro - sembrano creare queste condizioni ideali per la catalisi. Ma perché? "I nostri esperimenti mostrano che il numero di atomi vicini e la risultante forza del legame è un fattore cruciale per l'attività", spiega Oliver Schneider, uno dei coautori della pubblicazione.

I ricercatori TUM ora intendono utilizzare i risultati per sviluppare materiali catalitici più efficaci con aree attive quanto più ampie possibile.