Una nuova ricerca sta dimostrando che alcuni minuscoli catalizzatori presi in considerazione per gli sforzi di bonifica ambientale su scala industriale possono essere instabili durante il funzionamento.

I chimici dell'Università di Waterloo hanno studiato le strutture di catalizzatori complessi noti come "elettrocatalizzatori su nanoscala" e hanno scoperto che non sono così stabili come pensavano una volta gli scienziati. Quando l'elettricità scorre attraverso di loro durante l'uso, gli atomi possono riorganizzarsi. In alcuni casi, i ricercatori hanno scoperto, gli elettrocatalizzatori si degradano completamente.

Capire perché e come avviene questa riorganizzazione e degradazione è il primo passo per utilizzare questi elettrocatalizzatori su nanoscala negli sforzi di bonifica ambientale come la rimozione dell'anidride carbonica atmosferica e dei contaminanti delle acque sotterranee e la loro trasformazione in prodotti di valore superiore come i combustibili.

"Gli attuali elettrocatalizzatori si affidano a complesse strutture su nanoscala per ottimizzare la loro efficienza, " ha detto Anna Klinkova, un professore nel Dipartimento di Chimica di Waterloo. "Quello che abbiamo trovato, però, è che le prestazioni superiori di questi nanomateriali complessi hanno spesso il costo del loro graduale degrado strutturale, in quanto vi è un compromesso tra la loro efficacia e stabilità".

Klinkova e il suo team hanno scoperto che il riarrangiamento degli atomi nel catalizzatore dipendeva dal tipo di metallo, forma strutturale, e le condizioni di reazione del catalizzatore.

Hanno identificato due ragioni per i riarrangiamenti. Alcune piccole molecole possono attaccarsi temporaneamente alla superficie del catalizzatore e ridurre l'energia necessaria affinché un atomo si muova sulla superficie. In altri casi, aree ristrette all'interno del catalizzatore concentrano la corrente dell'elettrone, provocando lo spostamento degli atomi di metallo tramite un processo chiamato elettromigrazione.

L'elettromigrazione è stata precedentemente identificata nella microelettronica, ma questa è la prima volta che viene collegata a catalizzatori su scala nanometrica.

Questi risultati stabiliscono un quadro per valutare la stabilità strutturale e mappare la geometria mutevole dei catalizzatori su scala nanometrica, che è un passo importante per progettare catalizzatori migliori in futuro.

"Questi effetti strutturali potrebbero essere utilizzati come una delle regole di progettazione nel futuro sviluppo del catalizzatore per massimizzare la loro stabilità, "Ha detto Klinkova. "Si potrebbe anche indurre intenzionalmente la ricostruzione di una struttura diversa che diventa attiva quando inizia la reazione".

Lo studio, "L'interazione di effetti elettrochimici ed elettrici induce trasformazioni strutturali negli elettrocatalizzatori, " è stato recentemente pubblicato sulla rivista Catalisi della natura.