I singoli atomi funzionano alla grande come catalizzatori, ma di solito non rimangono single a lungo. Gli scienziati di Argonne fanno parte di un team che utilizza onde d'urto ad alta temperatura per tenerli al loro posto.

Un argomento caldo attuale nella ricerca sulla catalisi è lo sviluppo di catalizzatori a singolo atomo, quelli i cui atomi non sono legati l'uno all'altro. L'aumento dell'esposizione dei catalizzatori a singolo atomo massimizza l'efficienza di utilizzo dell'atomo per le prestazioni catalitiche, aiutando processi cruciali come la produzione di carburante e prodotti farmaceutici.

La sintesi di catalizzatori stabili a singolo atomo si rivela difficile perché molte delle reazioni catalitiche più utili, come la conversione del metano, può avvenire solo ad alte temperature. Per rimanere in uno stato stabile, i singoli atomi spesso si raggruppano quando le alte temperature introducono un aumento di instabilità nel sistema, causando un calo delle loro prestazioni catalitiche.

Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), insieme a partner di più università, hanno dimostrato che l'esposizione di un catalizzatore e di un substrato a ripetute onde d'urto ad alta temperatura rompe il catalizzatore in singoli atomi e consente al sistema di rimanere stabile per periodi di tempo senza precedenti.

In questa scoperta fondamentale, gli scienziati hanno usato il platino per il catalizzatore e il carbonio per il substrato. Il platino funge da catalizzatore per molte reazioni importanti, come guidare le celle a combustibile e convertire il gas naturale in forme più utili.

Lo studio, che di recente è apparso in Nanotecnologia della natura , ha sfruttato la collaborazione interdisciplinare tra più laboratori nazionali e università. I modelli al computer del sistema durante l'impulso di calore sono stati forniti dall'Università del Maryland. Le previsioni sul comportamento del sistema corrispondevano strettamente ai risultati effettivi ottenuti durante i test di reazione presso la Johns Hopkins University e la spettroscopia di assorbimento dei raggi X presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne. una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. I test di stabilità in situ mediante microscopia a risoluzione atomica sono stati eseguiti presso l'Università dell'Illinois a Chicago e presso l'Environmental Molecular Sciences Laboratory, un altro DOE Office of Science User Facility presso il Pacific Northwest National Laboratory.

La linea di luce APS gestita dal gruppo Spettroscopia della divisione X-ray Science è specializzata nella spettroscopia di assorbimento dei raggi X, e ospita un'ampia varietà di utenti provenienti da settori come lo stoccaggio di energia, catalisi e scienze ambientali. La tecnica che hanno impiegato per il sistema in questo studio è in grado di caratterizzare in modo univoco la catalisi a singolo atomo. Gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che dopo 10 onde d'urto, non c'erano praticamente legami platino-platino, e che il platino si legava al substrato di carbonio, che è importante per spiegare le prestazioni potenziate del sistema.

Gli scienziati hanno disperso atomi di platino su una superficie di carbonio, e alle basse temperature, il platino si è raggruppato insieme invece di legarsi come singoli atomi con il carbonio. Dopo un'onda d'urto ad alta temperatura, o impulso di calore, le isole di platino iniziarono a rompersi e, dopo 10 impulsi, il platino è stato uniformemente disperso e piantato nel carbonio.

Questi esperimenti sono stati eseguiti utilizzando onde d'urto a temperature record fino a 2000 K, una temperatura superiore anche al magma più caldo sotto la superficie terrestre, stabilendo un ambiente catalitico stabile maturo con potenziale di reazione. Il sistema è rimasto stabile per più di 50 ore dopo la sintesi.

Il metodo dell'onda d'urto aggira il problema comune dei singoli atomi che si legano a se stessi perché quando si riscaldano gli atomi a temperature elevate, lo spruzzo di energia li fa muovere e rompere i loro legami preesistenti. Questa instabilità interrompe i legami platino-platino e fa sì che il platino si diffonda sul carbonio, fornendo opportunità stabili dal punto di vista energetico di legarsi alle molecole di carbonio. Con ogni ulteriore onda d'urto, gli atomi di platino si diffondono sempre di più.

"I legami tra platino e carbonio sono forti, quindi se separi il platino da se stesso e si lega al carbonio, resterà lì, " ha detto Tianpin Wu del gruppo Spettroscopia, uno scienziato Argonne sullo studio. "Il carbonio è come il suolo e il platino è come un fiore con radici forti:il sistema è molto stabile".

L'utilizzo delle onde d'urto termico come metodo per sintetizzare catalizzatori a singolo atomo è un modo efficiente in termini di tempo e ampiamente applicabile per ottenere ambienti catalitici che sono convenzionalmente difficili. Il team prevede di utilizzare questo metodo per sintetizzare altri importanti catalizzatori come rutenio e cobalto con substrati di nitruro di carbonio e biossido di titanio per ottenere una teoria più generale del funzionamento del metodo.

"Non vogliamo fermarci qui, " ha detto Wu. "Vogliamo studiare questo nuovo metodo in reazioni comuni e poi generalizzarlo ad altri materiali".

"Abbiamo confrontato le prestazioni del nostro catalizzatore di platino a singolo atomo ad alta temperatura con le nanoparticelle di platino convenzionali nella conversione del metano, e abbiamo visto un significativo miglioramento della selettività e della stabilità termica per lunghi periodi di tempo, " disse Wu.

Il team è andato oltre per testare la stabilità termica del sistema trattando i singoli atomi con onde d'urto fino a 3000 K. Il risultato era ancora un mare di singoli atomi, consentendo la massimizzazione dell'efficienza nell'uso dell'atomo.

"Questo lavoro era come un puzzle, e tutti i contributi dei collaboratori sono stati necessari per avere un quadro dettagliato del sistema, " disse Wu. "Nessuna delle tecniche avrebbe potuto raccontare la storia da sola, ma insieme abbiamo dimostrato che questo metodo ha tanto successo quanto lo è."