I ricercatori della Brown University hanno sviluppato una nuova teoria per spiegare perché allungare o comprimere i catalizzatori metallici può migliorarne le prestazioni. La teoria, descritto nel giornale Catalisi della natura , potrebbe aprire nuove possibilità di progettazione per nuovi catalizzatori con nuove capacità.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano le reazioni chimiche. La stragrande maggioranza della catalisi industriale coinvolge superfici solide, spesso metalli, che catalizzano reazioni in liquidi o gas. Un convertitore catalitico su un'auto, Per esempio, utilizza catalizzatori metallici per estrarre le tossine dai fumi di scarico. C'è anche interesse nell'uso di catalizzatori metallici per convertire l'anidride carbonica in combustibili, produrre fertilizzanti dall'azoto atmosferico e guidare le reazioni nelle auto a celle a combustibile.

La ricerca negli ultimi anni ha dimostrato che l'applicazione di una sollecitazione ai catalizzatori metallici, sia per compressione che per tensione, può in alcuni casi modificare il modo in cui si comportano.

"La deformazione è un argomento davvero scottante nella catalisi in questo momento, " ha detto Andrew Peterson, un assistente professore alla Brown's School of Engineering e coautore della ricerca. "Abbiamo iniziato a vedere cose che accadono sotto sforzo che non sono facilmente spiegabili dalla teoria tradizionale su come funzionano i catalizzatori. Questo ci ha portato a pensare a un quadro alternativo per questa domanda".

Un catalizzatore metallico agisce facendo legare i reagenti alla sua superficie, un processo noto come adsorbimento. L'adsorbimento rompe i legami chimici delle molecole reagenti, permettendo alle varie fasi di una reazione chimica di avvenire sulla superficie del metallo. Al termine delle fasi di reazione, il prodotto finale viene rilasciato dal catalizzatore attraverso il processo inverso, chiamato desorbimento.

La proprietà chiave di un catalizzatore è la sua reattività, significa quanto strettamente lega le molecole chimiche alla sua superficie. I catalizzatori devono essere in qualche modo reattivi affinché avvenga il legame, ma non troppo reattivo. Troppa reattività fa sì che il catalizzatore tenga le molecole troppo strette, che possono ostacolare alcune fasi della reazione o impedire che i prodotti finali possano essere desorbiti.

È stato dimostrato negli ultimi anni che l'applicazione di un ceppo a un catalizzatore può regolare la sua reattività, e c'è una teoria ben consolidata su come funziona. Parlando in generale, la teoria prevede che lo sforzo di trazione dovrebbe aumentare la reattività, mentre la compressione dovrebbe ridurlo. Però, Peterson e il suo gruppo hanno continuato a incontrare sistemi che non sono facilmente spiegabili dalla teoria.

Ciò ha spinto i ricercatori a pensare a un nuovo modo di vedere il problema. La teoria tradizionale descrive le cose a livello di elettroni e bande di elettroni. La nuova teoria si ingrandisce un po', concentrandosi invece sulla meccanica di come le molecole interagiscono con il reticolo atomico di un catalizzatore.

Peterson e il suo team hanno dimostrato che le molecole legate alla superficie di un catalizzatore tenderanno a separare gli atomi nel reticolo o ad avvicinarli, a seconda delle caratteristiche delle molecole e dei siti di legame. Le diverse forze prodotte dalle molecole hanno implicazioni interessanti su come la deformazione esterna dovrebbe influenzare la reattività di un catalizzatore. Suggerisce che la tensione, che allunga il reticolo atomico di un catalizzatore, dovrebbe rendere un catalizzatore più reattivo alle molecole che naturalmente vogliono allontanare il reticolo. Allo stesso tempo, la tensione dovrebbe diminuire la reattività per le molecole che vogliono tirare insieme il reticolo. La compressione, ovvero la compressione del reticolo, ha un effetto inverso.

La nuova teoria non solo aiuta a spiegare i risultati precedentemente sconcertanti, fa nuove importanti previsioni. Nello specifico, prevede un modo per rompere le tradizionali relazioni di scala tra catalizzatori e diversi tipi di molecole.

"Le relazioni di scala significano che, in circostanze normali, quando aumenti la reattività di un catalizzatore per una sostanza chimica, aumenta la reattività anche per altre sostanze chimiche, " ha detto Peterson. "Allo stesso modo, se si riduce la reattività per una sostanza chimica, lo diminuisci per gli altri."

Queste relazioni di ridimensionamento causano fastidiosi compromessi quando si cerca di ottimizzare un catalizzatore. Ottenere la reattività perfetta per una sostanza chimica potrebbe causare un legame troppo stretto (o troppo lasco) di un'altra sostanza chimica. potenzialmente inibendo alcune fasi di una reazione. Ma questa nuova teoria suggerisce che il ceppo può rompere quelle relazioni di ridimensionamento, consentendo a un catalizzatore di legare simultaneamente una sostanza chimica più strettamente e un'altra più lasca, a seconda dell'interazione naturale della sostanza chimica con il reticolo atomico del catalizzatore e del modo in cui il campo di deformazione è progettato sulla superficie del catalizzatore.

"Ora puoi iniziare a pensare a catalizzatori di messa a punto davvero fini per ottenere prestazioni migliori durante le diverse fasi di reazione, " ha detto Peterson. "Ciò potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni di un catalizzatore, a seconda delle sostanze chimiche coinvolte."

Il team di Peterson ha iniziato a mettere insieme un database di comuni sostanze chimiche di reazione e le loro interazioni con diverse superfici di catalizzatori. Quel database potrebbe servire come guida per trovare reazioni che potrebbero trarre beneficio dalla tensione e dalla rottura delle relazioni di scala.

Intanto, Peterson spera che il lavoro svolto finora fornisca a quella comunità di catalisi un nuovo modo di pensare alla deformazione.

"Stiamo cercando di fornire un quadro che fornisca una comprensione più intuitiva di come funziona la deformazione nella catalisi, " ha detto Peterson. "Quindi, mentre le persone progettano nuovi catalizzatori, possono pensare a modi per sfruttare meglio questi effetti del ceppo".