I ricercatori di chimica della Georgia State University hanno svelato uno dei misteri delle reazioni catalitiche su scala microscopica, consentendo la progettazione di processi industriali più efficienti.

I catalizzatori, che accelerano le reazioni chimiche in tutto, dalla digestione del cibo ai motori a combustione nei veicoli, sono essenziali per trasformare le materie prime in prodotti utili nelle industrie, compreso petrolio, plastica, carta, prodotti farmaceutici e birra. Comprendere come si verificano le reazioni può aiutare gli scienziati a progettare catalizzatori migliori che siano più efficienti dal punto di vista energetico e sostenibili dal punto di vista ambientale.

I ricercatori hanno stabilito una nuova strategia di imaging in grado di tracciare singole molecole mentre passano attraverso minuscoli pori nei gusci delle sfere di silice e monitorare le dinamiche di reazione chimica sui centri catalitici al centro, producendo le prime misurazioni quantitative di come il confinamento su scala nanometrica acceleri effettivamente le reazioni catalitiche.

Comprendere questo sorprendente "effetto di nanoconfinamento" potrebbe aiutare a guidare la progettazione di precisione di catalizzatori industriali più efficienti in grado di risparmiare energia.

"Vuoi realizzare un prodotto specifico e hai la possibilità di scegliere tra diversi materiali porosi che possono fare cose diverse. Quale ti darà il miglior tasso di conversione e la massima velocità?" disse Ning Fang, professore associato in Chimica presso la Georgia State, che ha pubblicato i risultati della ricerca in Comunicazioni sulla natura . "Ora abbiamo una teoria basata su prove sperimentali che aggiungiamo alle simulazioni per avere una migliore previsione di quale potrebbe essere il risultato dell'utilizzo di determinati catalizzatori".

Lo studio delle reazioni catalitiche era precedentemente limitato a modelli teorici e computazionali. Il sistema di imaging a singola molecola, progettato dal ricercatore postdottorato dello Stato della Georgia Bin Dong e pubblicato in Catalisi della natura , consente ai ricercatori per la prima volta di vedere e misurare le reazioni che si verificano su una minuscola sfera porosa multistrato creata dai collaboratori della Iowa State University guidati dal professor Wenyu Huang e dal ricercatore post-dottorato Yuchen Pei.

Le molecole reagenti devono orientarsi in una direzione specifica per passare attraverso i nanopori, aperture che sono circa 100 volte più piccole della larghezza di una ciocca di capelli. I nanopori sono di diametro paragonabile alla dimensione della molecola reagente e quando la sua punta raggiunge il nucleo attivo, innesca immediatamente la prima fase della reazione al contatto. Il prodotto intermedio generato, però, viene intrappolato dal nanoporo mentre la reazione continua attraverso tre passaggi per formare la molecola del prodotto finale.

Contrariamente alla teoria convenzionale, questa "barriera nanoporosa" accelera la reazione invece di rallentarla, basato sulla misurazione sperimentale di Fang dell'energia di attivazione. Nonostante il movimento molecolare sia limitato dalla presenza di un guscio poroso, il processo è effettivamente amplificato dal confinamento, lo studio ha trovato.

"Istintivamente, ci si aspetterebbe un'attività decrescente quando i centri catalitici sono schermati dalle molecole reagenti da un guscio nanoporoso, " disse Fang. "Tuttavia, le nostre prove sperimentali raccontano una storia diversa. E più sorprendentemente, le attività catalitiche sono ulteriormente migliorate per i catalizzatori con strutture nanoporose più lunghe e più strette fino a quando i benefici del nanoconfinamento non vengono superati dal trasporto molecolare limitato nel guscio nanoporoso".

Questa scoperta potrebbe avere importanti implicazioni nella progettazione di nuovi catalizzatori. Per esempio, l'equivalente di oltre 500 milioni di barili di benzina viene utilizzato ogni anno per convertire etano e propano in alcheni che vengono utilizzati per produrre plastica, detersivi e altri prodotti. L'applicazione di catalizzatori più efficienti su larga scala potrebbe far risparmiare molta energia nel processo.