I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e dell'ETH di Zurigo vogliono rendere più efficienti le cosiddette zeoliti. Oggi, questi composti sono già additivi indispensabili nell'industria chimica e sono stati utilizzati come catalizzatori nelle raffinerie di petrolio fin dagli anni '60. Ora, nel diario Materiali della natura , i ricercatori raccomandano di prestare maggiore attenzione alle zeoliti classiche. Queste, affermano, avrebbe persino il potenziale per rendere possibile una bioeconomia basata su risorse rinnovabili.

Per trasformare la nostra economia basata sui combustibili fossili in una bioeconomia sostenibile, dobbiamo sostituire le risorse fossili con materie prime rinnovabili. Ma petrolio, il materiale di partenza per numerosi prodotti dell'industria chimica, non può essere semplicemente scambiato con legno, granoturco, e paglia, poiché le piante sono costituite da tipi di molecole completamente diversi dall'"oro nero". Per alimentare le automobili e consentire la produzione di un'ampia gamma di materie plastiche o farmaci, le materie prime rinnovabili devono prima subire una conversione chimica. Qui l'aiuto è fornito da catalizzatori, questo è, sostanze che guidano reazioni chimiche o le rendono possibili in primo luogo.

Catalizzatori estremamente promettenti per questo scopo sono le zeoliti, composti tipo impalcatura in alluminio, ossigeno, e silicio. Le zeoliti si trovano in natura, ad esempio come minerali nelle formazioni rocciose, o sono prodotte sinteticamente. Sono tra i catalizzatori più importanti nell'industria chimica. Dagli anni Sessanta, sono stati utilizzati nelle raffinerie di petrolio per il cracking, il processo di scissione di lunghe catene di idrocarburi in altre più corte. Sono anche usati, Per esempio, come ingredienti nei detersivi, nei processi di addolcimento dell'acqua, e nei sistemi di riserva di calore.

Le zeoliti facilitano la transizione verso una bioeconomia rendendo possibile la conversione della biomassa in molecole di cui l'industria ha un disperato bisogno. Tuttavia:"A questo punto, la ricerca sulle zeoliti è giunta a un punto morto, "dice Vitaly Sushkevich, uno scienziato nel Laboratorio di Catalisi e Chimica Sostenibile al PSI. Insieme ai colleghi del PSI e dell'ETH di Zurigo, vuole far uscire la ricerca sulla zeolite da questo vicolo cieco.

Non tutto l'alluminio è uguale

Il problema:sviluppare catalizzatori per la bioeconomia, ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su zeoliti che contengono anche stagno, titanio, o atomi di zirconio. Però, le loro prestazioni non possono essere ulteriormente aumentate. Pertanto il team di Sushkevich consiglia di tornare alle classiche zeoliti, che sono composti solo da silicio, alluminio, e ossigeno. "Sono catalizzatori molto efficienti, " dice Sushkevich. "La cosa speciale è che possono essere modificati e adattati come richiesto per scopi specifici. Puoi persino catalizzare diverse reazioni chimiche una dopo l'altra." In questo caso, il prodotto D desiderato viene convenientemente creato dal materiale di partenza A attraverso le fasi intermedie B e C.

Gli atomi di alluminio sono un elemento importante di queste zeoliti. Originariamente, questi sono saldamente ancorati all'impalcatura zeolitica. Attraverso il riscaldamento e altri trucchi, possono essere liberati da questo composto e quindi messi in condizione di catalizzare reazioni importanti per la bioeconomia.

Il dottorando Manoj Ravi dell'ETH di Zurigo ha analizzato la letteratura al riguardo e ha riscontrato diverse incongruenze. "Il modo in cui gli atomi di alluminio catalizzano le reazioni è evidentemente molto più complicato di quanto si pensasse in precedenza, " dice. Ad esempio, non tutti gli atomi di alluminio sono completamente rilasciati dal composto dell'impalcatura. Anziché, in una tale zeolite coesistono tre diversi tipi di atomi di alluminio:quelli che sono ancora bloccati nell'impalcatura, quelli che sono parzialmente staccati, e quelli che sono completamente distaccati. "È importante distinguere questi tre tipi l'uno dall'altro e non metterli insieme".

Capire cosa sta succedendo

PSI sintetizza anche le stesse zeoliti e ne analizza le strutture, ad esempio con l'aiuto della Swiss Light Source SLS. "Misure presso grandi strutture di ricerca e con altre moderne tecnologie ci aiutano a comprendere meglio la struttura degli importanti centri attivi, " dice Sushkevich. I centri attivi sono i siti in un catalizzatore in cui avviene la reazione.

Questo approccio potrebbe essere utile non solo con la transizione verso una bioeconomia, ma anche nella lavorazione delle classiche risorse fossili, aggiunge il chimico.

Il paper sarà pubblicato il 21 settembre 2020 sulla rivista Materiali della natura .