Tutto dalla produzione di fertilizzanti e materie plastiche, ai combustibili liquidi e ai prodotti farmaceutici richiedono un'importante reazione chimica nota come idrogenazione. Questo è un processo che prevede l'aggiunta di idrogeno a legami chimici insaturi. L'aumento del tasso di idrogenazione può portare a rendimenti più elevati per le industrie e a minori impatti ambientali.

Ora, un team di scienziati, guidato dal Professore Associato Yan Ning del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della National University of Singapore (NUS), ha escogitato un metodo per aumentare il tasso di idrogenazione dell'etilene di oltre cinque volte rispetto ai tassi industriali tipici.

Il team ha raggiunto questo obiettivo utilizzando un approccio radicalmente diverso. A differenza della maggior parte degli attuali processi di idrogenazione che utilizzano un catalizzatore solido statico per accelerare la reazione, la tecnica sviluppata dai ricercatori NUS applica potenziali elettrici oscillanti a un catalizzatore di idrogenazione commerciale, che poi aumentò drasticamente il tasso di idrogenazione dell'etilene in etano.

"Tali miglioramenti nelle velocità o nella selettività delle reazioni chimiche sono fondamentali per rendere più efficiente un processo chimico. Il nostro lavoro dimostra un modo più diretto ed economico per ottimizzare le prestazioni del catalizzatore che va oltre i metodi convenzionali, "Assoc Prof Yan ha detto.

Il lavoro innovativo del team è stato pubblicato in JACS Au il 14 aprile 2021.

Migliorare la catalisi di idrogenazione con potenziali elettrici oscillanti

La maggior parte dei catalizzatori di idrogenazione sono stati sviluppati nel corso di molti secoli, ma lo sviluppo di nuovi catalizzatori è stato tipicamente limitato agli approcci di progettazione dei materiali convenzionali. Alcuni studi hanno dimostrato che la catalisi può essere promossa applicando potenziali elettrici al catalizzatore. Sebbene questi metodi abbiano già migliorato la selettività e l'attività di catalizzatori eterogenei in condizioni statiche, l'uso di stimoli esterni dinamici è stato poco esplorato.

Le nuove scoperte del team NUS offrono uno strumento ingegneristico avanzato che utilizza potenziali elettrici oscillanti per promuovere la velocità delle reazioni chimiche senza lo sviluppo di nuovi materiali catalitici.

Per realizzare questo, il team NUS ha effettuato esperimenti utilizzando un catalizzatore commerciale al palladio in un reattore elettrochimico su scala di laboratorio, e osservato un aumento della velocità di cinque volte in condizioni dinamiche ottimali. Sono riusciti a correlare l'aumento della velocità con la capacità a doppio strato, un indicatore dell'intensità del campo elettrico locale all'interfaccia catalizzatore-elettrolita, utilizzando diverse soluzioni di elettrolita. Le proprietà del catalizzatore cambiavano periodicamente e continuamente, che ha accelerato i passaggi coinvolti nella reazione di idrogenazione dell'etilene.

I ricercatori hanno condotto ulteriori esperimenti cinetici, che ha suggerito che il miglioramento potrebbe essere correlato alla rimozione parziale di idrogeno fortemente adsorbito dalla superficie del catalizzatore a potenziale negativo, e il successivo adsorbimento e idrogenazione dell'etilene a potenziale positivo.

I risultati del team illustrano la fattibilità dell'utilizzo di potenziali oscillanti per migliorare la velocità catalitica di una reazione di idrogenazione relativamente semplice. Un approccio simile potrebbe essere esteso per controllare l'attività e la selettività di un'ampia gamma di reazioni catalitiche.

Prossimi passi

Il team NUS sta conducendo ulteriori studi per migliorare la loro comprensione dei principi fondamentali alla base della loro nuova tecnica. Stanno anche cercando di sviluppare ulteriormente il loro approccio in una strategia generale per migliorare i catalizzatori oltre il loro "ottimo statico".