Per comprendere la struttura e la funzione dei catalizzatori in azione, ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), in collaborazione con i colleghi della Swiss Light Source SLS del Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera e dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Francia, hanno sviluppato un nuovo strumento diagnostico. La spettroscopia a raggi X di Operando visualizza la struttura e i gradienti di catalizzatori tecnici complessi in tre dimensioni, permettendoci così di esaminare i reattori chimici funzionanti. I risultati sono riportati in Catalisi della natura .

La catalisi è indispensabile per molti rami. Il 95% di tutte le sostanze chimiche viene prodotto utilizzando catalizzatori. I catalizzatori svolgono anche un ruolo chiave nelle tecnologie energetiche e nella protezione dell'ambiente. I catalizzatori sono materiali utilizzati per accelerare le reazioni chimiche al fine di ridurre il consumo di energia e sottoprodotti indesiderati. Questo principio chimico-fisico è alla base di interi sistemi, esempi sono i convertitori catalitici nelle automobili oi catalizzatori nelle centrali elettriche per rimuovere gli inquinanti dai loro scarichi. I catalizzatori tecnici e industriali sono applicati anche nella produzione di fertilizzanti e polimeri. Spesso, devono presentare un'elevata resistenza alla pressione e resistenza meccanica, pur operando in condizioni ambientali dinamiche. Anche i più piccoli incrementi di efficienza nella rimozione degli inquinanti, come il monossido di carbonio, ossido d'azoto, e polvere fine, dai gas di scarico o nella produzione di idrogeno verde comporterà grandi vantaggi per l'uomo e l'ambiente. Per migliorare i materiali e i processi catalitici esistenti, però, è necessaria la comprensione esatta della loro funzione. "Se in un grande reattore chimico, in una batteria, o sotto la tua auto:i catalizzatori tecnici e industriali hanno spesso una struttura molto complessa, " afferma il Dr. Thomas Sheppard dell'Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) di KIT. "Per capire veramente come funzionano questi materiali, dobbiamo dare un'occhiata all'interno del reattore quando il catalizzatore funziona, idealmente con uno strumento analitico per rilevare la complessa struttura 3-D del catalizzatore attivo".

La spettroscopia a raggi X Operando fornisce immagini 3D e informazioni chimiche importanti

Thomas Sheppard ha diretto uno studio sui convertitori catalitici automobilistici, i cui risultati sono ora riportati in Catalisi della natura dai ricercatori coinvolti da KIT, PSI, e ESRF. Per i loro studi, il team ha utilizzato una configurazione di nuova concezione e ha effettuato esperimenti di tomografia presso strutture di radiazione di sincrotrone in Svizzera e Francia. La tomografia computerizzata produce immagini 3D di un campione, compreso l'esterno e l'interno, senza bisogno di aprirlo. Utilizzando un reattore speciale, i ricercatori hanno eseguito la tomografia e la spettroscopia a raggi X per tracciare un processo catalitico attivo. In questo modo, sono riusciti a osservare la struttura 3D di un catalizzatore per il controllo delle emissioni in condizioni simili a quelle di un vero scarico automobilistico. Questa cosiddetta spettroscopia a raggi X operando fornisce non solo la struttura 3-D del campione, ma anche importanti informazioni chimiche.

Metodo adatto per vari catalizzatori

"Poiché i catalizzatori hanno spesso una struttura piuttosto complessa e non uniforme, è importante sapere se l'intero volume del catalizzatore o solo parti di esso svolgono la loro funzione chimica come previsto, " spiega Johannes Becher di ITCP, uno dei principali autori dello studio. "La spettroscopia a raggi X di Operando ci permette di vedere la struttura e la funzione specifica di ogni singolo pezzo. Questo ci dice se il catalizzatore sta funzionando alla massima efficienza o meno e, ma ancora più importante, ci aiuta a capire i processi sottostanti." Durante la reazione, il team ha osservato un gradiente strutturale delle specie di rame attive all'interno del catalizzatore, che non poteva essere rilevato in precedenza utilizzando strumenti analitici convenzionali. Si tratta di importanti informazioni diagnostiche nelle prestazioni dei catalizzatori per il controllo delle emissioni. Il metodo stesso può essere applicato a molti catalizzatori e processi chimici diversi.

Nuove opportunità per i materiali e la diagnostica delle reazioni

Gli studi del team mostrano come la visualizzazione dello stato chimico di un catalizzatore attivo in 3-D possa offrire nuove opportunità per i materiali e la diagnostica delle reazioni. "Fino ad ora, non è stato possibile selezionare liberamente nessun pezzo di un catalizzatore funzionante e capire quali reazioni avvengono al suo interno senza disturbarlo. Ora, possiamo seguire esattamente quali reazioni stanno avvenendo, dove, e perché, " afferma il professor Jan-Dierk Grunwaldt dell'ITCP. "Questa è la chiave per migliorare la nostra comprensione dei processi chimici e progettare catalizzatori migliori e più efficienti in futuro." Gli studi che utilizzano la spettroscopia a raggi X operando possono essere condotti su diverse sorgenti di radiazione di sincrotrone, a condizione che esista un ambiente di esempio appropriato. I gruppi di Jan-Dierk Grunwaldt e Thomas Sheppard continueranno le loro indagini nell'ambito del nuovo TrackAct del Centro di ricerca collaborativo presso il KIT. TrackAct ha lo scopo di comprendere e migliorare la progettazione e l'efficienza dei catalizzatori per il controllo delle emissioni.