I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno risolto un mistero per una reazione chimica essenziale per la produzione di carburante e fertilizzanti. La cosiddetta reazione di spostamento acqua-gas forma idrogeno combustibile e anidride carbonica dal monossido di carbonio e dal vapore. La ricerca affronta una questione fondamentale nelle trasformazioni chimiche che si realizzano utilizzando catalizzatori, sostanze chimiche che aiutano ad accelerare le reazioni e sono utilizzate per realizzare migliaia di prodotti di consumo e industriali.

La scoperta, pubblicato nel numero di ottobre 2019 di Catalisi della natura , affronta una domanda fondamentale della gallina o dell'uovo nella catalisi:le interazioni tra i reagenti chimici e il catalizzatore creano un "sito attivo" o esiste già un "sito attivo" all'interno del catalizzatore?

Utilizzando una combinazione di tecniche sofisticate in grado di monitorare la reazione in tempo reale, i ricercatori, guidato da Janos Szanyi e Vassiliki-Alexandra (Vanda) Glezakou, determinato sperimentalmente che il sito attivo non è intrinseco al catalizzatore. Anziché, viene creato quando il catalizzatore incontra quel reagente. Il team del PNNL ha risposto alla domanda osservando cambiamenti distinti nelle proprietà del catalizzatore prima e dopo aver incontrato quel reagente.

"La nostra nuova comprensione ci ha fornito una tabella di marcia per sviluppare catalizzatori più efficienti, " ha detto Nicholas Nelson, un associato di ricerca post-dottorato del PNNL e primo autore dell'articolo di ricerca. "Una di queste strade è usare un atomo di metallo singolo come sito catalitico, al contrario di diverse centinaia di atomi di metallo attaccati l'uno all'altro. Ciò massimizzerà l'efficienza del catalizzatore garantendo che ogni atomo di metallo partecipi alla reazione".

Se i ricercatori potessero svilupparsi più velocemente, catalizzatori più stabili per guidare la reazione di spostamento acqua-gas, aumenterebbe l'efficienza di produzione per gli ingredienti dei fertilizzanti, come l'ammoniaca, o combustibili come idrocarburi, metanolo, e idrogeno.

"Questa scoperta potrebbe anche portare la tecnologia delle celle a combustibile a diventare più pervasiva nel settore energetico, che può ridurre le emissioni dei trasporti e diversificare il nostro portafoglio energetico, " ha detto Nelson.

La scoperta è il culmine di oltre due anni di esperimenti eseguiti all'interno dell'Istituto per la catalisi integrata del PNNL, che esplora e sviluppa la chimica e la tecnologia dei processi catalizzati che consentono un futuro a emissioni zero. I ricercatori hanno utilizzato un'attrezzatura specializzata in grado di "vedere" la reazione che si verifica in tempo reale. Combinando due forme di spettroscopia, i ricercatori sono stati in grado di seguire il processo di reazione con dettagli senza precedenti, individuando con precisione quando e come le sostanze chimiche si sono combinate e come sono stati generati i prodotti. La combinazione della capacità dello strumento e degli esperimenti che utilizzano sequenze di gas non convenzionali è stata fondamentale per identificare l'intermedio chiave durante la reazione di spostamento acqua-gas.

L'intermedio in questa reazione, chiamato carbossile, è stato teoricamente proposto più di 10 anni fa, ancora non è stato rilevato sperimentalmente fino ad ora. L'evoluzione e il rilevamento di questo intermedio è una scoperta importante che cambia il modo in cui gli scienziati pensano all'interazione tra idrogeno e catalizzatori di atomi di metallo singolo. La nuova intuizione non solo aiuterà nello sviluppo di catalizzatori per lo spostamento acqua-gas, ma anche numerose altre reazioni che coinvolgono l'idrogeno.