I catalizzatori sono matchmaker chimici:avvicinano altre sostanze chimiche, aumentando la possibilità che reagiscano tra loro e producano qualcosa che la gente vuole, come carburante o fertilizzante.

Poiché alcuni dei migliori materiali per catalizzatori sono anche piuttosto costosi, come il platino nel convertitore catalitico di un'auto, gli scienziati hanno cercato modi per ridurre la quantità da utilizzare.

Ora gli scienziati hanno il loro primo diretto, sguardo dettagliato su come un singolo atomo catalizza una reazione chimica. La reazione è la stessa che rimuove il monossido di carbonio velenoso dagli scarichi delle auto, e i singoli atomi di iridio hanno svolto il lavoro fino a 25 volte in modo più efficiente rispetto alle nanoparticelle di iridio contenenti da 50 a 100 atomi che vengono utilizzate oggi.

Il gruppo di ricerca, guidato da Ayman M. Karim di Virginia Tech, riportato i risultati in Catalisi della natura .

"Questi catalizzatori a singolo atomo sono un argomento molto caldo in questo momento, " ha detto Simon R. Bare, un coautore dello studio e illustre scienziato del personale presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, dove si sono svolte le parti fondamentali del lavoro. "Questo ci offre una nuova lente attraverso cui osservare le reazioni, e nuove intuizioni su come funzionano."

Karim ha aggiunto, "Per quello che ci risulta, questo è il primo documento per identificare l'ambiente chimico che rende un singolo atomo cataliticamente attivo, determinare direttamente quanto è attivo rispetto a una nanoparticella, e mostrano che ci sono differenze fondamentali, meccanismi completamente diversi, nel modo in cui reagiscono".

Più piccolo è davvero meglio?

I catalizzatori sono la spina dorsale dell'industria chimica e sono essenziali per la raffinazione del petrolio, dove aiutano a rompere il petrolio greggio in benzina e altri prodotti. I catalizzatori odierni spesso si presentano sotto forma di nanoparticelle attaccate a una superficie porosa come una spugna, così piena di minuscoli fori che un solo grammo di essa, spiegato, potrebbe coprire un campo da basket. Questo crea un'area enorme in cui milioni di reazioni possono aver luogo contemporaneamente. Quando il gas o il liquido scorre sopra e attraverso la superficie spugnosa, le sostanze chimiche si legano alle nanoparticelle, reagire l'uno con l'altro e fluttuare via. Ogni catalizzatore è progettato per promuovere una reazione specifica più e più volte.

Ma le reazioni catalitiche avvengono solo sulle superfici delle nanoparticelle, nudo ha detto, "e anche se sono particelle molto piccole, il costoso metallo all'interno della nanoparticella viene sprecato."

Atomi individuali, d'altra parte, potrebbe offrire il massimo in termini di efficienza. Ogni atomo potrebbe fungere da catalizzatore, afferrando i reagenti chimici e tenendoli vicini finché non si legano. Potresti inserirne molti di più in un dato spazio, e non un granello di metallo prezioso andrebbe sprecato.

I singoli atomi hanno un altro vantaggio:a differenza dei cluster di atomi, che sono legati l'uno all'altro, i singoli atomi sono attaccati solo alla superficie, quindi hanno più potenziali siti di legame disponibili per eseguire trucchi chimici, che in questo caso si sono rivelati molto utili.

La ricerca sui catalizzatori a singolo atomo è esplosa negli ultimi anni, Karim ha detto, ma fino ad ora nessuno è stato in grado di studiare come funzionano in modo sufficientemente dettagliato per vedere tutti i fugaci passaggi intermedi lungo la strada.

Afferrare un po' di aiuto

Per avere maggiori informazioni, il team ha esaminato una semplice reazione in cui singoli atomi di iridio dividono le molecole di ossigeno in due, e gli atomi di ossigeno reagiscono quindi con il monossido di carbonio per creare anidride carbonica.

Hanno usato quattro approcci:spettroscopia infrarossa, microscopio elettronico, calcoli teorici e spettroscopia a raggi X con fasci della sorgente di luce di radiazione di sincrotrone di Stanford (SSRL) di SLAC - per affrontare il problema da diverse angolazioni, e questo è stato fondamentale per ottenere un quadro completo.

"Non è mai solo una cosa che ti dà la risposta completa, "Ha detto Bare. "Sono sempre più pezzi del puzzle che si uniscono".

Il team ha scoperto che ogni atomo di iridio fa, infatti, eseguire un trucco chimico che ne migliora le prestazioni. Afferra una singola molecola di monossido di carbonio dal flusso di gas che passa e la trattiene, come una persona che si infila un pacco sotto il braccio. La formazione di questo legame innesca piccoli cambiamenti nella configurazione degli elettroni dell'atomo di iridio che lo aiutano a dividere l'ossigeno, quindi può reagire con il monossido di carbonio rimanente e convertirlo in anidride carbonica in modo molto più efficiente.

Altre domande ci attendono:questo stesso meccanismo funzionerà in altre reazioni catalitiche, consentendo loro di funzionare in modo più efficiente o a temperature più basse? In che modo la natura del catalizzatore a singolo atomo e la superficie su cui si trova influenzano il suo legame con il monossido di carbonio e il modo in cui procede la reazione?

Il team prevede di tornare in SSRL a gennaio per continuare il lavoro.