I ricercatori dell'Università del Minnesota hanno inventato un "condensatore catalitico" che apre le porte a nuove tecnologie catalitiche che utilizzano catalizzatori di metalli non preziosi per applicazioni importanti come lo stoccaggio di energia rinnovabile, la produzione di combustibili rinnovabili e la produzione di materiali sostenibili. Credito:Gruppo Dauenhauer, Università del Minnesota
Un team di ricercatori sull'energia guidato dall'Università del Minnesota Twin Cities ha inventato un dispositivo che converte elettronicamente un metallo in modo che si comporti come un altro da utilizzare come catalizzatore nelle reazioni chimiche. Il dispositivo, chiamato "condensatore catalitico", è il primo a dimostrare che materiali alternativi modificati elettronicamente per fornire nuove proprietà possono produrre un trattamento chimico più rapido ed efficiente.
L'invenzione apre le porte a nuove tecnologie catalitiche che utilizzano catalizzatori di metalli non preziosi per applicazioni importanti come lo stoccaggio di energia rinnovabile, la produzione di combustibili rinnovabili e la produzione di materiali sostenibili.
La ricerca è pubblicata online su JACS Au , dove è stata selezionata come pubblicazione Editor's Choice. Il team sta lavorando anche con l'Office of Technology Commercialization dell'Università del Minnesota e ha un brevetto provvisorio sul dispositivo.
La lavorazione chimica nell'ultimo secolo si è basata sull'uso di materiali specifici per promuovere la produzione di sostanze chimiche e materiali che utilizziamo nella nostra vita quotidiana. Molti di questi materiali, come metalli preziosi rutenio, platino, rodio e palladio, hanno proprietà di superficie elettroniche uniche. Possono agire sia come metalli che come ossidi metallici, il che li rende critici per il controllo delle reazioni chimiche.
Il grande pubblico ha probabilmente più familiarità con questo concetto in relazione all'aumento dei furti di convertitori catalitici sulle automobili. I convertitori catalitici sono preziosi per via del rodio e del palladio al loro interno. In effetti, il palladio può essere più costoso dell'oro.
Questi materiali costosi spesso scarseggiano in tutto il mondo e sono diventati un importante ostacolo al progresso tecnologico.
Per sviluppare questo metodo per mettere a punto le proprietà catalitiche di materiali alternativi, i ricercatori hanno fatto affidamento sulla loro conoscenza del comportamento degli elettroni sulle superfici. Il team ha testato con successo una teoria secondo cui l'aggiunta e la rimozione di elettroni a un materiale potrebbe trasformare l'ossido di metallo in qualcosa che imitava le proprietà di un altro.
"Gli atomi non vogliono davvero cambiare il loro numero di elettroni, ma abbiamo inventato il dispositivo a condensatore catalitico che ci consente di regolare il numero di elettroni sulla superficie del catalizzatore", ha affermato Paul Dauenhauer, MacArthur Fellow e professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso l'Università del Minnesota che ha guidato il gruppo di ricerca. "Questo apre un'opportunità completamente nuova per controllare la chimica e fare in modo che i materiali abbondanti si comportino come materiali preziosi."
Il dispositivo condensatore catalitico utilizza una combinazione di pellicole nanometriche per spostare e stabilizzare gli elettroni sulla superficie del catalizzatore. Questo design ha il meccanismo unico di combinare metalli e ossidi metallici con il grafene per consentire un rapido flusso di elettroni con superfici sintonizzabili per la chimica.
"Utilizzando varie tecnologie a film sottile, abbiamo combinato un film su scala nanometrica di allumina costituito da un abbondante alluminio metallico a basso costo con il grafene, che siamo stati quindi in grado di ottimizzare per assumere le proprietà di altri materiali", ha affermato Tzia Ming Onn, ricercatore post-dottorato presso l'Università del Minnesota che ha fabbricato e testato i condensatori catalitici. "La sostanziale capacità di mettere a punto le proprietà catalitiche ed elettroniche del catalizzatore ha superato le nostre aspettative."
Il design del condensatore catalitico ha un'ampia utilità come dispositivo di piattaforma per una vasta gamma di applicazioni di produzione. Questa versatilità deriva dalla sua fabbricazione nanometrica che incorpora il grafene come componente abilitante dello strato superficiale attivo. La potenza del dispositivo di stabilizzare gli elettroni (o l'assenza di elettroni detti "buchi") è sintonizzabile con la composizione variabile di uno strato interno fortemente isolante. Lo strato attivo del dispositivo può anche incorporare qualsiasi materiale catalitico di base con additivi aggiuntivi, che possono quindi essere regolati per ottenere le proprietà di costosi materiali catalitici.
"Consideriamo il condensatore catalitico come una tecnologia di piattaforma che può essere implementata in una serie di applicazioni di produzione", ha affermato Dan Frisbie, professore e capo del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota e membro del team di ricerca. "Le informazioni di base sulla progettazione e i nuovi componenti possono essere modificati per quasi ogni chimica che possiamo immaginare."
Il team prevede di continuare la ricerca sui condensatori catalitici applicandoli ai metalli preziosi per alcuni dei più importanti problemi ambientali e di sostenibilità. Sono già in corso diversi progetti paralleli per immagazzinare elettricità rinnovabile sotto forma di ammoniaca, produrre le molecole chiave nelle plastiche rinnovabili e pulire flussi di rifiuti gassosi. + Esplora ulteriormente
