La produzione di sostanze chimiche per i processi industriali spesso richiede che gli scienziati utilizzino un catalizzatore, una sostanza che accelera una reazione chimica, riducendo la quantità di energia necessaria per realizzare prodotti diversi.

Gli scienziati hanno a lungo considerato il palladio, un metallo prezioso strettamente affine al platino, un catalizzatore stellare a causa della sua natura altamente attiva. Però, perché il palladio è così costoso, gli scienziati hanno cercato modi per sostituire un altro metallo per la maggior parte del palladio coinvolto in alcuni catalizzatori.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università della California a Santa Barbara, gli scienziati hanno identificato un altro attore elementare che aiuta ad attivare il palladio riducendo la quantità di metallo prezioso necessaria per le reazioni.

Combinando una minore quantità di palladio con nichel su una formazione di nanoparticelle di ferro, un gruppo di ricerca guidato dal chimico delle Argonne Max Delferro e dal suo collega Bruce Lipshutz, un professore di chimica presso l'Università della California-Santa Barbara, progettato un sistema economico ed efficiente che riducesse i gruppi nitro-arilici ad ammine, un gruppo chimico importante nella chimica agricola e nell'industria farmaceutica.

"Sebbene questo percorso di riduzione sia ben noto e ci siano stati diversi metodi per farlo in passato, uno dei maggiori problemi è che i catalizzatori non sono sufficientemente selettivi, " Disse Delferro. "Il palladio è un metallo molto selettivo, ma dobbiamo usarne una piccola quantità per mantenere sia la sua alta selettività che la sua alta attività".

Nel loro sforzo di "allungare il palladio il più lontano possibile, "Delferro e Lipshutz hanno diffuso il palladio sulle nanoparticelle di ferro in modo da massimizzare il numero di siti attivi in ​​cui gli atomi di palladio potrebbero interagire con i gruppi nitro-arilici.

Senza nichel, questi piccoli ammassi di palladio tenderebbero ad ammassarsi insieme, perdendo superficie disponibile e, come conseguenza, siti attivi. Il nichel, però, impedisce ai preziosi grappoli di palladio di legarsi tra loro, mantenendoli altamente dispersi.

"Puoi immaginarlo come avere dei magneti in una sandbox, — disse Delferro. — Quando la sabbiera è vuota, se scuoti la sandbox, i magneti tenderanno a riunirsi tutti. Ma se c'è sabbia nella sandbox, i magneti rimarranno bloccati e non potranno muoversi l'uno verso l'altro."

Per osservare effettivamente la disposizione, Delferro e il suo team hanno utilizzato l'Advanced Photon Source di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Nel loro esperimento, i ricercatori di Argonne hanno monitorato il catalizzatore nelle condizioni di reazione reali e hanno osservato l'aggregazione del palladio nella versione del catalizzatore che non conteneva nichel.

Nelle versioni del catalizzatore che contenevano nichel, queste interazioni di aggregazione non sono avvenute, e il palladio rimase disperso.

I risultati dello studio derivano da una collaborazione tra Novartis, che ha avviato il progetto; l'Università della California-Santa Barbara, l'istituzione che ha sintetizzato il catalizzatore; e Argonne, che lo caratterizzava all'APS. Questi risultati sono riportati in un articolo pubblicato l'8 dicembre in chimica verde , dal titolo "Effetti sinergici in nanoparticelle di Fe drogate con livelli di ppm di (Pd + Ni). Un nuovo catalizzatore per la riduzione sostenibile dei nitrogruppi".