Perle di gallio liquido e platino in primo piano. Credito:Dr Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
I ricercatori in Australia sono stati in grado di utilizzare tracce di platino liquido per creare reazioni chimiche a basso costo e altamente efficienti a basse temperature, aprendo la strada a riduzioni drastiche delle emissioni in settori cruciali.
Se combinato con il gallio liquido, le quantità di platino necessarie sono sufficientemente piccole da estendere in modo significativo le riserve terrestri di questo prezioso metallo, offrendo al contempo soluzioni più sostenibili per la CO2 riduzione, sintesi di ammoniaca nella produzione di fertilizzanti e creazione di celle a combustibile verdi, insieme a molte altre possibili applicazioni nelle industrie chimiche.
Questi risultati, che si concentrano sul platino, sono solo una goccia nell'oceano di metallo liquido quando si tratta del potenziale di questi sistemi di catalisi. Espandendo questo metodo, potrebbero esserci più di 1.000 possibili combinazioni di elementi per oltre 1.000 reazioni diverse.
I risultati saranno pubblicati sulla rivista Nature Chemistry lunedì 6 giugno.
Il platino è molto efficace come catalizzatore (l'innesco di reazioni chimiche) ma non è ampiamente utilizzato su scala industriale perché è costoso. La maggior parte dei sistemi di catalisi che coinvolgono il platino hanno anche costi energetici elevati per il funzionamento.
Normalmente, il punto di fusione del platino è 1.700°C. E quando viene utilizzato allo stato solido per scopi industriali, deve esserci circa il 10% di platino in un sistema catalitico a base di carbonio.
Non è un rapporto conveniente quando si cerca di fabbricare componenti e prodotti per la vendita commerciale.
Tuttavia, le cose potrebbero cambiare in futuro, dopo che gli scienziati dell'UNSW Sydney e della RMIT University hanno trovato un modo per utilizzare piccole quantità di platino per creare reazioni potenti e senza costosi costi energetici.
Una vista atomica del sistema catalitico in cui le sfere d'argento rappresentano gli atomi di gallio e le sfere rosse rappresentano gli atomi di platino. Le piccole sfere verdi sono reagenti e quelle blu sono prodotti, evidenziando le reazioni catalitiche. Credito:Dr Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
Il team, compresi i membri dell'ARC Center of Excellence in Exciton Science e dell'ARC Center of Excellence in Future Low Energy Technologies, ha combinato il platino con gallio liquido, che ha un punto di fusione di soli 29,8°C, che è la temperatura ambiente su un caldo giorno. Se combinato con il gallio, il platino diventa solubile. In altre parole, si scioglie e senza accendere una fornace industriale estremamente potente.
Per questo meccanismo, la lavorazione a temperatura elevata è necessaria solo nella fase iniziale, quando il platino viene sciolto nel gallio per creare il sistema di catalisi. E anche allora, sono solo circa 300°C per un'ora o due, per nulla vicino alle alte temperature continue spesso richieste nell'ingegneria chimica su scala industriale.
L'autore collaboratore, il dottor Jianbo Tang dell'UNSW, l'ha paragonato a un fabbro che utilizza una fucina calda per fabbricare attrezzature che dureranno per anni.
"Se lavori con ferro e acciaio, devi riscaldarlo per fare uno strumento, ma hai lo strumento e non devi mai riscaldarlo di nuovo", ha detto.
"Altre persone hanno provato questo approccio, ma devono far funzionare i loro sistemi di catalisi a temperature molto elevate tutto il tempo."
Per creare un catalizzatore efficace, i ricercatori dovevano utilizzare un rapporto tra platino e gallio inferiore a 0,0001. E, soprattutto, il sistema risultante si è rivelato oltre 1.000 volte più efficiente del suo rivale a stato solido (quello che doveva costare circa il 10% del platino per funzionare)
I vantaggi non si fermano qui, perché è un sistema a base di liquidi, è anche più affidabile. I sistemi catalitici a stato solido alla fine si intasano e smettono di funzionare. Non è un problema qui. Come un gioco d'acqua con una fontana incorporata, il meccanismo del liquido si rinfresca costantemente, autoregolando la sua efficacia per un lungo periodo di tempo ed evitando che l'equivalente catalitico della schiuma del laghetto si accumuli in superficie.
Il Dr. Md. Arifur Rahim, l'autore principale dell'UNSW Sydney, ha dichiarato:"Dal 2011, gli scienziati sono stati in grado di miniaturizzare i sistemi catalizzatori fino al livello atomico dei metalli attivi. Per mantenere i singoli atomi separati l'uno dall'altro, i sistemi convenzionali richiedono matrici solide (come grafene o ossido di metallo) per stabilizzarle. Ho pensato, perché non usare invece una matrice liquida e vedere cosa succede.
Gallio liquido e tre sfere solide di platino, a dimostrazione del processo di dissoluzione del platino nel gallio descritto nel documento di ricerca. Credito:Dr Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
"Gli atomi catalitici ancorati su una matrice solida sono immobili. Abbiamo aggiunto mobilità agli atomi catalitici a bassa temperatura utilizzando una matrice di gallio liquido."
Il meccanismo è anche abbastanza versatile da eseguire reazioni di ossidazione e riduzione, in cui l'ossigeno viene fornito o sottratto rispettivamente a una sostanza.
Gli sperimentatori dell'UNSW hanno dovuto risolvere alcuni misteri per comprendere questi risultati impressionanti. Utilizzando la chimica computazionale avanzata e la modellazione, i loro colleghi dell'RMIT, guidati dal professor Salvy Russo, sono stati in grado di identificare che il platino non diventa mai solido, fino al livello dei singoli atomi.
La dottoressa Nastaran Meftahi, ricercatrice scientifica di Exciton, ha rivelato il significato del lavoro di modellazione del suo team RMIT.
"Quello che abbiamo scoperto è che i due atomi di platino non sono mai entrati in contatto l'uno con l'altro", ha detto.
"Sono sempre stati separati da atomi di gallio. Non c'è platino solido che si forma in questo sistema. È sempre disperso atomicamente all'interno del gallio. È davvero fantastico ed è quello che abbiamo trovato con la modellazione, che è molto difficile da osservare direttamente attraverso gli esperimenti".
Sorprendentemente, è in realtà il gallio che fa il lavoro di guidare la reazione chimica desiderata, agendo sotto l'influenza degli atomi di platino nelle immediate vicinanze.
Il Dr. Andrew Christofferson di RMIT, ricercatore associato di Exciton Science, ha spiegato quanto siano nuovi questi risultati:"Il platino è in realtà un po' al di sotto della superficie e sta attivando gli atomi di gallio attorno ad esso. Quindi la magia sta accadendo sul gallio sotto l'influenza del platino .
"Ma senza il platino lì, non succede. Questo è completamente diverso da qualsiasi altra catalisi che qualcuno abbia mostrato, di cui sono a conoscenza. E questo è qualcosa che può essere mostrato solo attraverso la modellazione". + Esplora ulteriormente
