I processi elettrochimici potrebbero essere utilizzati per convertire la CO ₂ in utili materiali di partenza per l'industria. Per ottimizzare i processi, i chimici stanno tentando di calcolare in dettaglio i costi energetici causati dai vari partner e fasi di reazione. I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum (RUB) e della Sorbonne Université di Parigi hanno scoperto come le piccole molecole idrofobe, come CO ₂ , contribuiscono ai costi energetici di tali reazioni analizzando come le molecole interagiscono in acqua all'interfaccia. Il team descrive i risultati sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , pubblicato online il 13 aprile 2021.

Per condurre i lavori, La dott.ssa Alessandra Serva e il professor Mathieu Salanne del Laboratoire PHENIX dell'Université Sorbonne hanno collaborato con la professoressa Martina Havenith e il dott. Simone Pezzotti della cattedra di chimica fisica II di Bochum.

Ruolo cruciale per le piccole molecole idrofobe

In molti processi elettrochimici, piccole molecole idrofobe reagiscono sulle superfici del catalizzatore che spesso sono costituite da metalli preziosi. Tali reazioni avvengono spesso in una soluzione acquosa, per cui le molecole d'acqua formano i cosiddetti gusci di idratazione attorno alle altre molecole:si accumulano attorno alle altre molecole. L'acqua che circonda polare, cioè le molecole igroscopiche si comportano in modo diverso rispetto all'acqua che circonda le molecole non polari, che sono anche detti idrofobici. Il team di ricerca franco-tedesco era interessato a questa idratazione idrofobica.

Utilizzando simulazioni di dinamica molecolare, i ricercatori hanno analizzato l'idratazione idrofobica di piccole molecole come l'anidride carbonica (CO ₂ ) o azoto (N2) all'interfaccia tra l'oro e l'acqua. Hanno dimostrato che l'interazione delle molecole d'acqua in prossimità di piccole molecole idrofobe fornisce un contributo cruciale ai costi energetici delle reazioni elettrochimiche.

Modello per il calcolo dei costi energetici ampliato

I ricercatori hanno implementato questi risultati nella teoria di Lum-Chandler-Weeks. Ciò consente di calcolare l'energia necessaria alla realizzazione delle reti idriche. "I costi energetici per l'idratazione idrofoba sono stati calcolati per la maggior parte nel modello precedente. Questo modello è stato ora ampliato qui alle molecole idrofobiche vicino alle interfacce. Questo caso non era incluso prima, " spiega Martina Havenith, il relatore della Ruhr esplora il cluster di eccellenza della solvibilità, RISOLVI in breve, a RUB. Il modello adattato consente ora di calcolare i costi energetici per l'idratazione idrofoba all'interfaccia tra oro e acqua in base alle dimensioni delle molecole idrofobe. "A causa del contributo idrico, la dimensione delle molecole gioca un ruolo importante nelle reazioni chimiche a queste interfacce, " afferma il Dr. Simone Pezzotti della Bochum Chair of Physical Chemistry II.

Ad esempio, il modello prevede che piccole molecole idrofobe tenderebbero ad accumularsi all'interfaccia in base alle interazioni con l'acqua, mentre le molecole più grandi rimarrebbero più lontane nella soluzione.