Per anni, le nanoparticelle metalliche utilizzate nei catalizzatori sono diventate sempre più piccole. Ora, un gruppo di ricerca presso TU Wien a Vienna, L'Austria ha dimostrato che tutto è improvvisamente diverso quando si arriva alla dimensione più piccola possibile:un singolo atomo.

Metalli come l'oro o il platino sono spesso usati come catalizzatori. Nei convertitori catalitici dei veicoli, Per esempio, Le nanoparticelle di platino convertono il monossido di carbonio velenoso in CO . non tossico ₂ . Poiché il platino e altri metalli cataliticamente attivi sono costosi e rari, le nanoparticelle coinvolte sono state rese sempre più piccole nel tempo.

I catalizzatori a singolo atomo sono il punto finale logico di questo ridimensionamento:il metallo non è più presente come particelle, ma come singoli atomi che sono ancorati sulla superficie di un materiale di supporto più economico. I singoli atomi non possono più essere descritti utilizzando le regole sviluppate da pezzi di metallo più grandi, quindi le regole utilizzate per prevedere quali metalli saranno buoni catalizzatori devono essere rinnovate:questo è stato ora raggiunto alla TU Wien. Come risulta, catalizzatori a singolo atomo basati su materiali molto più economici potrebbero essere ancora più efficaci. Questi risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Scienza .

Più piccolo a volte è meglio

Solo gli atomi esterni del pezzo di metallo possono svolgere un ruolo nei processi chimici, dopo tutto, gli atomi all'interno non entrano mai in contatto con l'ambiente. Per risparmiare materiale, è quindi meglio usare minuscole particelle metalliche invece di grossi grumi, in modo che una proporzione maggiore degli atomi risiede in superficie. Se andiamo al limite ultimo e usiamo singoli atomi, ogni singolo atomo è chimicamente attivo. Nell'ultimo decennio il campo della catalisi "singolo atomo" è cresciuto notevolmente, ottenendo un grande successo.

Modello sbagliato, giusta soluzione

"I motivi per cui alcuni metalli preziosi sono buoni catalizzatori sono stati già studiati negli anni '70, " afferma il prof. Gareth Parkinson dell'Istituto di fisica applicata della TU Wien. "Ad esempio, Gerhard Ertl è stato insignito del premio Nobel per la chimica nel 2007 per aver fornito approfondimenti su scala atomica sulla catalisi."

In un pezzo di metallo, un elettrone non può più essere assegnato a un atomo specifico; gli stati elettronici risultano dall'interazione di molti atomi. "Per i singoli atomi, i vecchi modelli non sono più applicabili" dice Gareth Parkinson. "I singoli atomi non condividono gli elettroni come un metallo, quindi le bande elettroniche, la cui energia era la chiave per spiegare la catalisi, semplicemente non esistono in questo caso."

Gareth Parkinson e il suo team hanno quindi studiato intensamente i meccanismi atomici alla base di questa catalisi a singolo atomo negli ultimi anni. "In molti casi i metalli che consideriamo buoni catalizzatori rimangono buoni catalizzatori sotto forma di singoli atomi", afferma Gareth Parkinson. "In entrambi i casi sono gli stessi elettroni, i cosiddetti d elettroni, che ne sono responsabili».

Proprietà personalizzate attraverso superfici su misura

Nella catalisi a singolo atomo sorgono possibilità completamente nuove che non sono disponibili quando si utilizzano particelle metalliche ordinarie:"A seconda della superficie su cui poniamo gli atomi di metallo e dei legami atomici che formano, possiamo cambiare la reattività degli atomi, " spiega Parkinson.

In alcuni casi, metalli particolarmente costosi come il platino non sono più necessariamente la scelta migliore. "I singoli atomi di nichel mostrano grandi promesse per l'ossidazione del monossido di carbonio. Se comprendiamo i meccanismi atomici della catalisi a singolo atomo, abbiamo molto più margine di manovra per influenzare i processi chimici, "dice Parkinson.

Otto metalli diversi sono stati esattamente analizzati in questo modo alla TU Wien:i risultati si adattano perfettamente ai modelli teorici che ora sono stati sviluppati in collaborazione con il Prof. Cesare Franchini dell'Università di Vienna.

"I catalizzatori sono molto importanti in molte aree, soprattutto quando si tratta di reazioni chimiche che svolgono un ruolo importante nei tentativi di sviluppare un'economia di energia rinnovabile, " sottolinea Gareth Parkinson. "Il nostro nuovo approccio mostra che non deve essere sempre platino." Il fattore decisivo è l'ambiente locale degli atomi e, se lo scegli correttamente, puoi sviluppare catalizzatori migliori e allo stesso tempo risparmiare risorse e costi.