Nuove linee guida stabilite dal Nebraska e dai ricercatori cinesi potrebbero guidare la progettazione di strutture meno costose, catalizzatori più efficienti orientati a rilanciare la produzione di idrogeno come combustibile rinnovabile.

Xiao Cheng Zeng e colleghi del Nebraska hanno identificato diversi fattori trascurati critici per le prestazioni dei catalizzatori a singolo atomo:singoli atomi, solitamente metallico e ancorato da strutture molecolari circostanti, che danno il via e accelerano le reazioni chimiche.

Il team ha piegato quelle variabili in una semplice equazione che richiedeva quelli che Zeng ha descritto come "calcoli dietro la busta". Questa equazione dovrebbe consentire ai ricercatori di prevedere facilmente come la scelta dell'atomo e del materiale circostante influenzerà le prestazioni catalitiche. Ad oggi, i ricercatori si sono spesso affidati a lunghi tentativi ed errori per trovare promettenti catalizzatori a singolo atomo.

"Tutte queste informazioni (rilevanti) possono essere facilmente raccolte da un libro di testo, " disse Zeng, Rettore universitario Professore di chimica. "Anche prima di un esperimento, puoi vedere rapidamente se è un buon modo per creare il catalizzatore. Semplifichiamo il processo".

Usando la sua equazione, il team ha scoperto diverse combinazioni di struttura atomica che approssimano le prestazioni dei catalizzatori di metalli preziosi:platino, oro, iridio, a soli millesimi del costo. Uno ha scambiato un atomo di platino con manganese; un altro ha sostituito l'iridio con il cobalto.

"Esistono due modi (principali) per ridurre il prezzo di questi catalizzatori, " Zeng ha detto. "Uno è quello di usare il minor numero possibile di metalli, quindi i catalizzatori a singolo atomo sono i più economici. L'altra direzione è trovare metalli alternativi come ferro, alluminio o zinco che siano molto economici".

Due delle combinazioni atomo-quadro del team possono dividere l'acqua nelle sue parti costituenti:un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, quest'ultimo può fungere da carburante verde per veicoli e altre applicazioni. Altri due candidati catalizzatori aiutano gli atomi di ossigeno ad assumere più elettroni, innescandoli per legarsi con atomi di idrogeno carichi positivamente e formare acqua, il sottoprodotto desiderato delle celle a combustibile a idrogeno.

"Proprio adesso, questo non è il modo prevalente per produrre idrogeno, " Zeng ha detto. "L'industria utilizza ancora i combustibili fossili per produrre idrogeno. È solo più economico. Quindi questa è la nostra motivazione:abbassare il costo in modo che tutto questo più pulito, le reazioni che producono carburante diventano (vitali)."

Rapporto di ricognizione

I ricercatori hanno scoperto che il numero e la natura degli atomi direttamente legati a un catalizzatore a singolo atomo possono influenzare profondamente il modo in cui catalizza le reazioni chimiche. In alcuni casi, l'atomo catalizzatore potrebbe essere attaccato a tre o quattro altri atomi, ognuno dei quali è esso stesso parte di un anello di cinque o sei atomi. Ogni atomo in quella rete immediata ha anche un'attrazione nota per gli elettroni, con la forza di quell'attrazione che influenza ulteriormente le prestazioni catalitiche.

La disposizione e le qualità di quegli atomi vicini sono importanti, Zeng ha detto, allo stesso modo in cui una linea offensiva è importante per uno stazionario, quarterback passa-tasca. E la nuova equazione del team potrebbe fungere da rapporto di scouting per i ricercatori che cercano di amplificare i punti di forza o coprire i punti deboli del loro personale, Egli ha detto.

Per Zeng e i suoi colleghi, quel personale era composto da più di 20 cosiddetti metalli di transizione che sono generalmente peggiori dei metalli preziosi nelle reazioni di catalizzazione. Ma il team ha dimostrato che circondando un cobalto, ferro o altro atomo di seconda stringa con l'ambiente giusto, a volte un nido d'ape di atomi di carbonio noto come grafene, a volte una rete di atomi di azoto può elevare le sue prestazioni.

"Ogni linea offensiva è diversa, " Zeng ha detto. "Come fai a far funzionare al meglio il quarterback in quella tasca? Come trovi il miglior quarterback in diverse tasche?

"Se hai un quarterback a due stelle, hai bisogno di una linea offensiva migliore. Ma anche un quarterback di riserva può comportarsi bene con la linea giusta".

Zeng è l'autore dello studio con i colleghi dell'Università di tecnologia chimica di Pechino. Lo studio è apparso sulla rivista Catalisi della natura ed è stato evidenziato in Notizie chimiche e ingegneristiche , una rivista pubblicata dall'American Chemical Society.