L'attuale produzione commerciale di metanolo attraverso l'idrogenazione del gas serra CO ₂ si basa su un catalizzatore costituito da rame, ossido di zinco e ossido di alluminio. Anche se questo catalizzatore è stato utilizzato per molti decenni nell'industria chimica, restano ancora delle incognite. Un team di ricercatori dell'Interface Science Department del Fritz-Haber-Institute della Max Planck Society, l'Università della Ruhr di Bochum, Centro di accelerazione lineare di Stanford (SLAC), FZ Juelich e il Brookhaven National Laboratory hanno ora chiarito l'origine dell'interessante attività catalitica e delle tendenze di selettività dei nanocatalizzatori complessi durante il lavoro. In particolare, hanno fatto luce sul ruolo del supporto dell'ossido e hanno svelato come la produzione di metanolo possa essere influenzata da minuscole quantità di ossido di zinco a stretto contatto con il rame.

Il metanolo può servire come fonte di energia o come materia prima per la produzione di altri prodotti chimici, con oltre 60 milioni di tonnellate prodotte annualmente. Il tradizionale rame, catalizzatore di ossido di zinco e ossido di alluminio converte il gas di sintesi, che è composto da H2, CO e CO ₂ , in metanolo. Sebbene affidabile, l'efficienza di questo specifico catalizzatore cambia nel tempo, compromettendo così la sua longevità, come nel caso di molti catalizzatori. "Abbiamo quindi studiato rame e nanoparticelle miste di rame-zinco su vari supporti di ossido per capire come interagiscono ed evolvono e svelano il ruolo di ciascun costituente del catalizzatore. Questa conoscenza servirà a migliorare i catalizzatori futuri". dice Núria Jiménez Divins, uno dei principali autori dello studio.

Il team ha studiato il processo catalitico in condizioni di reazione realistiche riproducendo quelle applicate nel processo industriale, ovvero alte pressioni (20-60 bar) e temperature miti. Ciò richiedeva radiazioni a raggi X generate dal sincrotrone. Simon R. Bare dalla sorgente luminosa a radiazione di sincrotrone di Stanford, che hanno contribuito agli esperimenti, spiega:"Le reazioni a tali temperature e pressioni elevate devono avvenire in un contenitore chiuso che dovrebbe essere anche trasparente per i raggi X, che rende le misurazioni impegnative. Lo speciale design del reattore in combinazione con la radiazione di sincrotrone ci ha permesso di effettuare le cosiddette misure operando, dove abbiamo visto dal vivo cosa succede ai componenti catalitici nelle condizioni di reazione industrialmente rilevanti." Ciò ha permesso ai ricercatori di seguire non solo la nascita e la morte del catalizzatore, ma anche il suo sviluppo e le sue trasformazioni che portano a cambiamenti nella sua attività e selettività.

Combinando i risultati della microscopia, spettroscopia e misure catalitiche, il team ha scoperto che alcuni supporti hanno avuto un'influenza più positiva sulle prestazioni del catalizzatore rispetto ad altri a causa del modo in cui hanno interagito con l'ossido di zinco, che era disponibile in modo altamente diluito come parte delle nanoparticelle di Cu-Zn. Su supporti in ossido di silicio, l'ossido di zinco è stato parzialmente ridotto a zinco metallico o ha dato origine a una lega di ottone durante il processo catalitico, che nel tempo si è rivelato dannoso per la produzione di metanolo. Quando si utilizza l'ossido di alluminio come supporto, lo zinco interagisce fortemente con il supporto e si ingloba nel suo reticolo, dando luogo ad una variazione della selettività di reazione verso il dimetiletere. "Questa è una scoperta interessante", dice David Kordus, l'altro autore principale dello studio e Ph.D. studente presso il Dipartimento di Scienze dell'Interfaccia della FHI. "Sappiamo ora che la scelta del materiale di supporto ha un'influenza su come i componenti attivi del catalizzatore si comportano e si adattano dinamicamente alle condizioni di reazione. Soprattutto lo stato di ossidazione dello zinco è influenzato in modo critico da questo, che dovrebbe essere preso in considerazione per la futura progettazione del catalizzatore."

Questo lavoro pubblicato su Comunicazioni sulla natura dimostra che l'ossido di zinco non deve essere disponibile come parte del supporto, ma che ha ancora una funzione benefica anche quando disponibile in forma altamente diluita come parte del catalizzatore di nanoparticelle stesso. Ciò aiuterà a chiarire meglio i catalizzatori di sintesi del metanolo e potenzialmente porterà a un miglioramento del catalizzatore per questo importante processo industriale.