Determinare le energie di legame ottimali per reazioni chimiche eterogenee, che di solito significa che il reagente si trova nella fase gassosa o liquida mentre il catalizzatore è un solido, è fondamentale per molti aspetti della società moderna, poiché ci affidiamo a tali reazioni per processi diversi come la produzione di fertilizzanti e materie plastiche. Esiste un'energia di legame ottimale, ovvero il grado di interazione tra i reagenti e il catalizzatore, laddove il processo è più efficiente (se è troppo basso, i reagenti non reagiranno con il catalizzatore, e se è troppo alto vi rimarranno legati), e i catalizzatori sono progettati in base a questo.
Ora, in una scoperta che potrebbe portare allo sviluppo di nuovi catalizzatori che non si basano su costosi metalli rari, scienziati del RIKEN Center for Sustainable Resource Science hanno dimostrato che l'energia di legame ottimale può deviare dai calcoli tradizionali, che si basano sulla termodinamica di equilibrio, ad alte velocità di reazione. Ciò significa che potrebbe essere necessario riconsiderare la progettazione dei catalizzatori utilizzando i nuovi calcoli per ottenere i tassi migliori.
Reazioni chimiche eterogenee sono utilizzate in molti processi industriali. Alcuni dei più noti sono la produzione di ammoniaca tramite il processo Haber-Bosch, la produzione di materie plastiche mediante la reazione di Ziegler-Natta, e la desolforazione del petrolio. Nel 1911, il chimico francese Paul Sabatier propose, sulla base di esperimenti, che esiste un'energia di legame ottimale che consente di massimizzare l'attività catalitica. Recentemente, i progressi nella chimica computazionale hanno fornito un quadro con cui calcolare l'energia di legame ottimale, basato sulla termodinamica di equilibrio e assumendo che il processo procederà senza intoppi se tutte le fasi del processo sono termodinamicamente favorevoli. Qui, il ruolo del catalizzatore è quello di migliorare la termodinamica dello stadio più sfavorevole. Il problema è che "ottimale" è generalmente inteso nel senso che la reazione richiede la minor forza motrice possibile, in modo che sia termodinamicamente efficiente, ma nel mondo reale è spesso più pratico avere un tasso di catalisi più elevato, anche se è necessaria una forza motrice maggiore.
Il team ha eseguito una nuova serie di calcoli, basato su modelli cinetici di reazione, che tengano conto di questa discrepanza, e calcolato nuove energie di legame ottimali per l'ossidazione dell'idrogeno, che utilizza la catalisi eterogenea, trovando che i calcoli davano valori diversi a velocità di reazione elevate. "Siamo stati felici di vedere, "dice Hideshi Ooka, il primo autore dello studio, "che i nostri calcoli prevedono nuove strategie di progettazione del catalizzatore che non si sarebbero potute ottenere utilizzando il tradizionale, approccio termodinamico".
Secondo Ryuhei Nakamura, capo del team di ricerca sui catalizzatori biofunzionali del Centro per le risorse sostenibili, "Sulla base di questa constatazione, abbiamo in programma di cercare nuovi catalizzatori, utilizzando elementi come rame o nichel, che possono portare avanti reazioni catalitiche eterogenee ma sono meno costose e più rispettose dell'ambiente di quelle attuali, che spesso richiedono metalli preziosi come platino e palladio."
Lui continua, "Di conseguenza, la ricerca per trovare nuovi catalizzatori utilizzando il nostro metodo potrebbe contribuire al raggiungimento di tre degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite:obiettivo 7 (energia pulita e accessibile), Obiettivo 12 (produzione e consumo responsabili), e obiettivo 13 (azione per il clima)."
Lo studio è pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters .
