Un composto cristallino chiamato biossido di rutenio è ampiamente utilizzato nei processi industriali, dove è particolarmente importante per catalizzare una reazione chimica che scinde le molecole d'acqua e rilascia ossigeno. Ma l'esatto meccanismo che avviene sulla superficie di questo materiale, e come tale reazione è influenzata dall'orientamento delle superfici cristalline, non era mai stato determinato nei dettagli. Ora, un team di ricercatori del MIT e di diverse altre istituzioni è stato in grado per la prima volta di studiare direttamente il processo a livello atomico.

Le nuove scoperte sono riportate questa settimana sulla rivista Catalisi della natura , in un articolo del professore del MIT Yang Shao-Horn, studenti neolaureati Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano e Jaclyn Lunger, e altri 10 al MIT, Laboratorio Nazionale Argonne, e altre istituzioni.

Il lavoro ha richiesto anni di collaborazione e un processo iterativo tra la modellazione computerizzata atomo per atomo del processo catalitico, ed esperimenti di precisione, inclusi alcuni che utilizzano un'esclusiva struttura a raggi X di sincrotrone ad Argonne, che consente il sondaggio su scala atomica della superficie del materiale.

"Penso che l'aspetto entusiasmante del lavoro sia che spingiamo un po' il confine della nostra comprensione della catalisi della scissione dell'acqua, " Shao-Horn dice. "Cerchiamo di imparare cosa succede sui siti di ossigeno in superficie in condizioni di reazione, un passo fondamentale verso la definizione dei siti attivi per la scissione dell'acqua."

Il processo catalitico, nota come reazione di evoluzione dell'ossigeno, è fondamentale per la produzione di idrogeno e ammoniaca per uso energetico, produrre combustibili sintetici a zero emissioni di carbonio, e fare metalli da ossidi metallici. E attualmente, le superfici di biossido di rutenio sono "il gold standard dei catalizzatori per la scissione dell'acqua, " secondo Shao-Horn.

Mentre il processo di scissione dell'acqua per separare gli atomi di ossigeno dai loro due atomi di idrogeno attaccati alla superficie di un catalizzatore può sembrare semplice, a livello molecolare, Rao dice, "questa interfaccia è piuttosto complicata. Hai un numero davvero elevato di molecole d'acqua e la tua superficie può essere completamente disordinata e avere più processi che si verificano contemporaneamente". Per dare un senso a tutto questo, "la prima cosa che facciamo è ridurre la complessità avendo superfici a cristallo singolo davvero ben definite" in cui la posizione esatta di ogni atomo è stata determinata utilizzando la diffusione di raggi X di sincrotrone per sondare la superficie.

"Utilizzando questa tecnica, possiamo fondamentalmente ingrandire quel livello superiore, " lei dice, e quindi possono variare la tensione applicata alla superficie per vedere come viene influenzato il processo di ossidazione dell'acqua. Nel nuovo studio, poiché i ricercatori avevano determinato l'attività e i siti di reazione per diversi orientamenti superficiali del cristallo, sono stati in grado di incorporare tali informazioni nella loro modellazione molecolare sul computer. Ciò ha permesso loro di ottenere maggiori informazioni sull'energia delle reazioni che si verificano in specifiche configurazioni atomiche sulla superficie.

Quello che hanno scoperto è che "è molto più intrigante, " perché non c'è un solo sito responsabile della reazione, dice Rao. "Non è che ogni sito sia identico, ma hai siti diversi che possono svolgere ruoli diversi" nell'insieme di passaggi nella reazione. Possono essere possibili diversi passaggi che determinano la velocità, con le relative velocità di scissione dell'acqua influenzate dall'orientamento delle facce del reticolo cristallino esposte, e le nuove intuizioni possono aiutare a ottimizzare il modo in cui i catalizzatori vengono preparati al fine di ottimizzare le velocità di reazione.

Rao afferma che la comprensione a livello molecolare dell'influenza di queste sottili differenze potrebbe aiutare nella progettazione di catalizzatori futuri che potrebbero superare i più alti livelli di attività che sarebbero previsti dai metodi tradizionali di descrizione delle strutture elettroniche.

Shao-Horn aggiunge che mentre il loro studio ha esaminato specificamente il biossido di rutenio, il lavoro di modellazione che hanno svolto potrebbe essere applicato a una varietà di processi catalitici, tutto ciò comportava reazioni simili di rottura e rifacimento di legami chimici attraverso interazioni con siti attivi sulla superficie del materiale.

La modellizzazione dell'attività superficiale potrebbe essere utilizzata per aiutare nello screening di nuovi potenziali materiali catalitici per una varietà di reazioni, lei dice, ad esempio per trovare materiali che usino meno di raro, elementi costosi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.