Catalizzatori di metalli di transizione, come nichel e cobalto, sono ampiamente utilizzati nell'industria per produrre idrogeno e altri composti utili dal gas naturale. I ricercatori ottengono questa trasformazione attraverso il steam reforming, che è il processo di riscaldamento del metano con vapore in presenza del catalizzatore, producendo così idrogeno e monossido di carbonio.

I metalli di transizione sono noti per le loro capacità catalitiche superiori e i ricercatori sanno che le reazioni più significative si verificano sulla superficie dei catalizzatori. Finora, la ricerca di catalizzatori ancora migliori è stata in gran parte basata su tentativi ed errori, e sul presupposto che le reazioni catalizzate avvengano sui bordi dei gradini e su altri siti di difetto atomico dei cristalli metallici.

Un team di ricerca internazionale dalla Svizzera, Paesi Bassi, e gli Stati Uniti hanno combinato esperimenti utilizzando tecniche avanzate a infrarossi con la teoria quantistica per esplorare le reazioni di dissociazione del metano nei minimi dettagli. Per la prima volta, la loro ricerca mostra esattamente dove si verificano le reazioni più significative sulla superficie del catalizzatore. I ricercatori si sono concentrati sul platino (Pt) come catalizzatore per abbattere il metano, ma il modello può essere applicato ad altri catalizzatori di metalli di transizione, come il nichel. Riportano i loro risultati questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica , da AIP Publishing.

"Una teoria predittiva testata con accuratezza chimica potrebbe cambiare il modo in cui si cercano nuovi catalizzatori e rendere la ricerca più efficiente ed economica, "ha detto Rainer Beck, co-autore dell'articolo e professore di scienze chimiche e ingegneria presso il cole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL).

A scala atomica, la superficie di un catalizzatore al platino (così come altri cristalli metallici) può essere costituita da passaggi, terrazze, e altri difetti che sono visti come importanti "siti" nel processo catalitico.

Il team di ricerca ha utilizzato il pompaggio laser a infrarossi per eccitare le molecole di metano in stati quantistici rotazionali e vibrazionali selezionati. I ricercatori hanno quindi utilizzato la spettroscopia infrarossa ad assorbimento a riflessione (RAIRS) per rilevare la dissociazione del metano sui vari siti del cristallo di Pt(211). RAIRS è una tecnica non intrusiva che consente ai ricercatori di monitorare le reazioni chimiche in tempo reale durante la deposizione di, in questo caso, metano sulla superficie del Pt registrando curve di assorbimento sito-specifiche per specie di metile chemisorbite su gradini e siti di terrazze. Sulla base di queste misurazioni, i ricercatori possono quindi determinare i livelli di reattività del metano su ciascuno dei siti.

I ricercatori hanno anche utilizzato il modello hamiltoniano del percorso di reazione, un quadro di teoria quantistica, calcolare l'energia potenziale superficiale ed esplorarne la dinamica durante le reazioni chimiche. Le loro scoperte hanno mostrato che le reazioni di dissociazione sono almeno due ordini di grandezza più efficienti sui gradini che sulle terrazze. Inoltre, nessuna reazione ha avuto luogo su un terzo tipo di sito superficiale situato tra i gradini e il terrazzo (denominato "atomi d'angolo").

"Abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare il rilevamento RAIRS per misurazioni specifiche dello stato e della superficie della reattività del metano e confrontare l'effetto dell'eccitazione vibrazionale sulla reattività sui gradini e sui terrazzi di una superficie del catalizzatore, Beck ha detto. "Questa nuova area di studio fornisce un altro livello di dettaglio nella rilevazione dei prodotti di dissociazione del metano".