Interazione tra ioni caricati negativamente e cavità superficiali caricate positivamente di C12A7 per un'efficace stabilizzazione di singoli atomi di platino. Credito: Comunicazioni sulla natura
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno dimostrato che i singoli atomi di platino intrappolati nei cristalli C12A7 agiscono come catalizzatore stabile ed efficace per l'idrogenazione dei nitroareni, un processo essenziale nella produzione di molti tipi di prodotti della chimica fine. Il loro approccio potrebbe diventare un percorso versatile per lo sviluppo di altri catalizzatori a singolo atomo per applicazioni industriali ad ampio raggio.
I catalizzatori a singolo atomo (SAC) stanno per diventare catalizzatori da sogno, quelli che mostrano prestazioni eccezionali basate sull'utilizzo ottimizzato di atomi di metallo. Molti team di ricerca in tutto il mondo hanno lavorato per far progredire lo sviluppo scalabile dei SAC da quando sono stati proposti per la prima volta da Tao Zhang e colleghi in Cina e negli Stati Uniti nel 2011.
Ora, in uno studio proof-of-concept che spalanca la porta allo sviluppo di una nuova gamma di SAC, i ricercatori della Tokyo Tech hanno progettato e testato un catalizzatore composto da singoli atomi di platino intrappolati in C12A7, un cristallo nanoporoso ampiamente utilizzato nella produzione di cemento alluminoso.
La struttura interna dei cristalli C12A7 è "della dimensione giusta" per intrappolare singoli atomi di metallo, dicono i ricercatori nel loro articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura .
"Il nostro approccio è piuttosto simile a una strategia "diamante in un anello", dove la cavità superficiale di C12A7 può essere considerata come un anello, e il singolo atomo di platino è fissato sull'anello come un diamante, ", afferma il primo autore Tian-Nan Ye presso il Centro di ricerca sui materiali di Tokyo Tech per la strategia degli elementi.
Ye spiega che C12A7 ha una struttura a struttura carica positiva composta da dodici gabbie di dimensioni sub-nanometriche, ciascuno con un diametro interno di circa 0,4 nanometri, una dimensione adatta per catturare singoli atomi di metallo. Ogni gabbia ha una carica positiva di +1/3, e le cavità superficiali hanno una "bocca" aperta che può intrappolare singoli atomi di metallo attraverso l'interazione elettronica.
Il catalizzatore ha dimostrato di essere altamente stabile e attivo verso l'idrogenazione selettiva dei nitroareni, un processo importante spesso utilizzato nell'industria dei coloranti e dei polimeri. Ha una maggiore frequenza di turnover (fino a 25, 772 all'ora) rispetto a quella dei catalizzatori a base di platino non supportati da C12A7. Sorprendentemente, il nuovo catalizzatore funziona anche a temperature fino a 600°C.
Sulla base di questi promettenti risultati, i ricercatori hanno studiato se l'effetto di intrappolamento potrebbe funzionare utilizzando altri metalli. Come avevano previsto, C12A7 era anche in grado di catturare singoli atomi di rutenio e rodio, indicando che la loro strategia sarebbe applicabile a vari metalli di transizione.
"Le nostre scoperte aprono innumerevoli porte allo sviluppo di nuovi tipi di SAC per diversi processi catalitici, " dice Ye. Grazie alla sua stabilità termica eccezionalmente elevata, il supporto C12A7 sarebbe in grado di resistere a condizioni più dure coinvolte in altri processi industrialmente importanti come la sintesi dell'ammoniaca e la CO 2 riduzione.
Ye sottolinea che lo sviluppo di SAC non può essere separato dall'esplorazione di nuovi materiali. Questo è uno dei motivi principali per cui il gruppo del professor Hideo Hosono alla Tokyo Tech è posizionato in modo univoco per essere un pioniere nella ricerca SAC, lui dice, basandosi su una serie di risultati tra cui lo sviluppo di nuovi semiconduttori, un superconduttore a base di ferro, e il primo elettruro stabile a temperatura ambiente.
