Incorporare i singoli atomi di metallo in una superficie nel modo giusto consente di adattare il loro comportamento chimico. Questo fa nuovo, migliori catalizzatori possibili.

Rendono le nostre auto più rispettose dell'ambiente e sono indispensabili per l'industria chimica:i catalizzatori rendono possibili determinate reazioni chimiche, come la conversione di CO in CO ₂ nei gas di scarico delle auto, che altrimenti avverrebbe molto lentamente o non accadrebbe affatto. I fisici di superficie della TU Wien hanno ora raggiunto un importante passo avanti; gli atomi di metallo possono essere posizionati su una superficie di ossido di metallo in modo che mostrino esattamente il comportamento chimico desiderato. Risultati promettenti con gli atomi di iridio sono stati appena pubblicati sulla rinomata rivista Angewandte Chemie .

Sempre più piccolo, fino al singolo atomo

Per i gas di scarico delle auto, vengono utilizzati catalizzatori solidi come il platino. Il gas entra in contatto con la superficie metallica, dove reagisce con altri componenti del gas. "Solo lo strato più esterno di atomi di metallo può svolgere un ruolo in questo processo. Il gas non può mai raggiungere gli atomi all'interno del metallo, quindi vengono sostanzialmente sprecati, " afferma il Prof. Gareth Parkinson dell'Istituto di Fisica Applicata alla TU Wien. Ha quindi senso costruire il catalizzatore non come un unico grande blocco di metallo, ma sotto forma di granuli fini. Questo rende il numero di atomi attivi il più alto possibile. Poiché molti importanti materiali catalizzatori (come platino, oro o palladio) sono molto costosi, il costo è un grosso problema.

Per anni, sono stati fatti sforzi per trasformare i catalizzatori in particelle sempre più fini. Nella migliore delle ipotesi, il catalizzatore potrebbe essere costituito da singoli atomi di catalizzatore, e tutti sarebbero attivi nel modo giusto. Questo è più facile a dirsi che a farsi, però. "Quando gli atomi di metallo si depositano su una superficie di ossido di metallo, di solito hanno una tendenza molto forte ad aggregarsi e formare nanoparticelle, " ha spiegato Gareth Parkinson.

Invece di attaccare gli atomi di metallo attivo a una superficie, è anche possibile incorporarli in una molecola con atomi vicini abilmente selezionati. Le molecole e i reagenti vengono quindi disciolti in un liquido, e lì avvengono le reazioni chimiche.

Entrambe le varianti presentano vantaggi e svantaggi. I catalizzatori in metallo solido hanno un rendimento maggiore, e può essere eseguito in funzionamento continuo. Con catalizzatori liquidi, d'altra parte, è più facile adattare le molecole secondo necessità, ma il prodotto e il catalizzatore devono essere separati nuovamente in seguito.

Il meglio dei due mondi

Il team di Parkinson alla TU Wien sta lavorando per combinare i vantaggi di entrambe le varianti:"Da anni lavoriamo sulla lavorazione delle superfici di ossido di metallo in modo controllato e le immaginiamo al microscopio, " dice Gareth Parkinson. "Grazie a questa esperienza, ora siamo uno dei pochi laboratori al mondo in grado di incorporare atomi di metallo in una superficie solida in un modo ben definito."

Più o meno allo stesso modo in cui sono progettate le molecole di catalizzatore liquido, sta diventando possibile scegliere gli atomi vicini nella superficie che sarebbero i più favorevoli da un punto di vista chimico e speciali accorgimenti di fisica superficiale rendono possibile incorporarli in una matrice solida su una superficie speciale di ossido di ferro. Questo può essere usato, Per esempio, per convertire il monossido di carbonio in anidride carbonica.

Controllo ottimale

"La catalisi a singolo atomo è una nuova, campo di ricerca estremamente promettente, " dice Gareth Parkinson. "Ci sono già state misurazioni entusiasmanti con tali catalizzatori, ma finora non si sapeva esattamente perché funzionassero così bene. Ora, per la prima volta, abbiamo il pieno controllo sulle proprietà atomiche della superficie e possiamo dimostrarlo chiaramente per mezzo delle immagini del microscopio elettronico".