Gli scienziati sono entusiasti della prospettiva di ridurre i catalizzatori a singoli atomi. Attaccato a milioni a una superficie di appoggio, potrebbero offrire il massimo in termini di velocità e specificità.

Ora i ricercatori hanno compiuto un passo importante verso la comprensione dei catalizzatori a singolo atomo modificando deliberatamente il modo in cui sono attaccati alle superfici che li supportano, in questo caso le superfici delle nanoparticelle. Hanno attaccato un atomo di platino a ciascuna nanoparticella e hanno osservato come il cambiamento della chimica della superficie della particella e la natura dell'attaccamento influissero sulla capacità dell'atomo di catalizzare le reazioni.

Esperimenti chiave per lo studio si sono svolti presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, e i risultati sono stati riportati in Materiali della natura ieri.

"Riteniamo che questa sia la prima volta che la reattività di un catalizzatore metallico a singolo atomo è stata ricondotta a un modo specifico di attaccarlo a una particolare struttura di supporto. Questo studio è anche unico nel controllare sistematicamente tale attaccamento, " ha detto Simon R. Bare, un distinto scienziato dello staff della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC e coautore dello studio.

"Si tratta di un'importante scoperta scientifica, e capire a un livello fondamentale come la struttura si relaziona alla reattività alla fine ci consentirà di progettare catalizzatori molto più efficienti. C'è un numero enorme di persone che lavorano su questo problema".

Trattamento duro, buoni risultati

Bare e altri scienziati SLAC facevano parte di un precedente studio presso SSRL che ha scoperto che i singoli atomi di iridio potrebbero catalizzare una particolare reazione fino a 25 volte più efficiente delle nanoparticelle di iridio utilizzate oggi, che contengono da 50 a 100 atomi.

Questo ultimo studio è stato condotto dal Professore Associato Phillip Christopher dell'Università della California, Santa Barbara. Ha esaminato singoli atomi di platino che erano attaccati a nanoparticelle separate di biossido di titanio nel suo laboratorio. Anche se questo approccio probabilmente non sarebbe pratico in un impianto chimico o nel convertitore catalitico della tua auto, ha dato al gruppo di ricerca un controllo squisitamente preciso di dove sono stati collocati gli atomi e dell'ambiente immediatamente circostante, Ha detto nudo.

I ricercatori hanno sottoposto le nanoparticelle a trattamenti chimici, aggressivi o blandi, e hanno utilizzato i raggi X di SSRL per osservare come tali trattamenti cambiassero dove e come gli atomi di platino si attaccassero alla superficie.

Nel frattempo, scienziati dell'Università della California, Irvine osservò direttamente gli attacchi e le posizioni degli atomi di platino con microscopi elettronici, e i ricercatori dell'UC-Santa Barbara hanno misurato quanto fossero attivi gli atomi di platino nelle reazioni di catalizzazione.

Sfondando la superficie

Un atomo di platino ha sei siti di legame in cui può collegarsi con altri atomi. Nelle nanoparticelle non trattate, gli atomi furono sepolti nella superficie e saldamente legati a sei atomi di ossigeno ciascuno; non avevano siti di legame liberi che potessero afferrare altri atomi e avviare una reazione catalitica.

In particelle leggermente trattate, gli atomi di platino emersero dalla superficie e furono legati a soli quattro atomi di ossigeno ciascuno, lasciando loro due siti di legame liberi e il potenziale per una maggiore attività catalitica.

E in particelle duramente trattate, gli atomi si aggrappavano alla superficie con due soli legami, lasciando liberi quattro siti di legame. Quando i ricercatori hanno testato la capacità delle nanoparticelle variamente trattate di catalizzare una reazione in cui il monossido di carbonio si combina con l'ossigeno per formare anidride carbonica – la stessa reazione che avviene nel convertitore catalitico di un'auto – questa è risultata vincente, nudo ha detto, con un'attività cinque volte maggiore degli altri.

"While this study shows the importance of understanding the dynamic nature of catalysts, " Christopher said, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."