Molte reazioni che usiamo per produrre composti chimici negli alimenti, medico, e industriali non sarebbero realizzabili senza l'uso di catalizzatori. Un catalizzatore è una sostanza che, anche in piccole quantità, accelera la velocità di una reazione chimica e talvolta consente che si verifichi in condizioni più miti (temperatura e pressione inferiori). Un buon catalizzatore a volte può moltiplicare il rendimento di un reattore su scala industriale o ridurre di oltre 100°C la sua temperatura di esercizio.

non è una sorpresa, poi, che la ricerca sui catalizzatori è fondamentale per rendere più efficienti le reazioni chimiche. Un approccio emergente che è stato osservato fornire questi vantaggi è il riscaldamento delle nanoparticelle metalliche in alcuni catalizzatori utilizzando direttamente le microonde invece delle tecniche di riscaldamento uniformi convenzionali. Le nanoparticelle metalliche nei catalizzatori interagiscono fortemente con le microonde e si ritiene che vengano riscaldate selettivamente. Però, gli scienziati hanno riportato risultati contrastanti quando si utilizza questo approccio, e comprendere l'effetto che il riscaldamento selettivo delle nanoparticelle ha sulle reazioni chimiche è difficile perché non sono stati ancora trovati metodi per misurare la loro temperatura locale.

Ora, gli scienziati della Tokyo Tech guidati dal professor Yuji Wada affrontano questo problema e dimostrano un nuovo approccio per misurare la temperatura locale delle nanoparticelle di platino in un catalizzatore solido. Il loro metodo, come dettagliato nel loro studio pubblicato in Chimica delle comunicazioni , si basa sulla spettroscopia a struttura fine di assorbimento dei raggi X (XAFS), quale, come il nome suggerisce, fornisce informazioni sulle piccole strutture locali di un materiale mediante raggi X.

Nelle oscillazioni XAFS estese, si può ricavare un valore chiamato fattore di Debye-Waller. Questo fattore è composto da due termini; uno legato al disordine strutturale, e uno relativo al disturbo termico. Se la struttura del catalizzatore non cambia al riscaldamento a microonde, qualsiasi variazione del fattore Debye-Waller deve essere dovuta a variazioni termiche. Perciò, XAFS può essere utilizzato per misurare indirettamente la temperatura delle nanoparticelle metalliche.

Il team di scienziati ha testato questo approccio in platino su allumina e platino su catalizzatori di silice per scoprire fino a che punto le microonde possono riscaldare selettivamente le nanoparticelle di platino invece del loro materiale di supporto. Si è scoperto che il riscaldamento a microonde produce una marcata differenza di temperatura tra NP e supporto. Una serie di esperimenti comparativi ha dimostrato che una temperatura locale più elevata delle nanoparticelle metalliche nei catalizzatori è cruciale per ottenere velocità di reazione più elevate alla stessa temperatura.

Entusiasta dei risultati, Il professor Wada osserva, "Questo lavoro è il primo a presentare un metodo per la valutazione delle temperature locali delle nanoparticelle e del loro effetto sulle reazioni catalitiche. Concludiamo che il riscaldamento locale delle nanoparticelle di platino è efficiente per accelerare le reazioni chimiche che coinvolgono il platino stesso, presentando un approccio pratico per ottenere un notevole miglioramento nelle reazioni catalitiche utilizzando il riscaldamento a microonde."

Questi risultati rappresentano una svolta per migliorare la nostra comprensione del ruolo del riscaldamento a microonde nel miglioramento delle prestazioni catalitiche. Il dottor Tsubaki aggiunge, "Un'efficiente concentrazione di energia nei siti attivi dei catalizzatori, le nanoparticelle metalliche in questo caso, dovrebbe diventare una strategia fondamentale per esplorare la chimica delle microonde per ottenere un uso efficiente dell'energia per le reazioni e consentire condizioni più blande per l'accelerazione della reazione". Si spera che questa nuova visione dei processi catalitici farà risparmiare tonnellate di energia a lungo termine facendo funzionare i reattori in modo più intelligente, non più difficile.