Negli ultimi 20 anni, ci sono stati sforzi per ridurre l'uso di combustibili fossili nella produzione di materie plastiche e, secondo i ricercatori della Penn State, reazioni catalitiche efficienti e personalizzabili, in cui due metalli vengono combinati utilizzando un catalizzatore o una molecola che rimane invariata durante una reazione —sono un'alternativa interessante.

I ricercatori hanno trovato un modo per rendere le reazioni catalitiche meno dispendiose e più convenienti controllando il posizionamento di ciascun atomo sulla superficie del catalizzatore. Il controllo o la personalizzazione dei catalizzatori riduce le reazioni competitive non necessarie e isola una reazione prevedibile di successo. Questi risultati sono stati pubblicati su Nature Chemistry .

"Isolando un metallo attivo in un ospite inerte e controllando con precisione l'esatto rapporto tra i metalli, possiamo ottenere uno schema mirato dei due atomi di metallo", ha affermato Michael Janik, professore di ingegneria chimica e co-principale ricercatore della Penn State per lo studio.

I ricercatori hanno utilizzato il palladio, che fungeva da componente catalizzatore attivo, e lo zinco, l'ospite inerte, per formare un intermetallico, un composto con due o più tipi di atomi di metallo disposti secondo uno schema ripetuto.

I ricercatori, guidati da Janik e dal co-investigatore principale Robert Rioux, il professore di ingegneria chimica Friedrich G. Helfferich della Penn State, hanno testato diverse quantità di zinco e palladio e hanno scoperto che rapporti diversi tra zinco e palladio avevano una reattività catalitica ampiamente diversa.

I ricercatori hanno ottimizzato il rapporto tra palladio e zinco per formare superfici che contenevano solo monomeri e trimeri di palladio isolati o gruppi di tre atomi adiacenti. Hanno dimostrato che sia i monomeri di palladio che i trimeri potrebbero idrogenare o aggiungere idrogeno gassoso all'acetilene e quindi creare etilene, un gas necessario per elaborare la plastica.

Ma nel processo, i trimeri di palladio hanno anche catalizzato una reazione di idrogenazione dell'etilene, una conseguenza indesiderata, che ha escluso l'uso di trimeri. I monomeri di palladio isolati circondati da atomi di zinco, tuttavia, erano una configurazione efficace per idrogenare selettivamente l'acetilene.

Grazie al loro lavoro su questo documento, Janik, Rioux e i loro collaboratori hanno ricevuto una sovvenzione di 1,2 milioni di dollari nel 2019 dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti con l'obiettivo di estendere la scienza a nuove applicazioni.

"Utilizzeremo la modellazione computazionale e l'apprendimento automatico per prevedere i progetti di altri intermetallici che organizzeranno un certo numero di atomi di metallo in configurazioni uniche", ha affermato Janik. "Stiamo ora cercando di trovare altre combinazioni di due metalli che ci consentano di controllare la disposizione dei due atomi di metallo."

Janik, Rioux e i collaboratori della Penn State e della Carnegie Mellon University stanno ora utilizzando approcci di scienza dei dati per scoprire altri catalizzatori intermetallici con siti di reazione precisi e sintonizzabili. Lavorando con Zachary Ulissi, professore associato di ingegneria chimica presso la CMU, hanno codificato un'applicazione web pubblicamente disponibile, nota come Nuclearity Zoo, che calcola la disposizione e la forma di qualsiasi combinazione di metalli attivi e inattivi ed elenca tutte le potenziali disposizioni atomiche di essi. L'app utilizza gli approcci della teoria dei grafi per classificare le forme e le dimensioni dei siti attivi.

"Ad esempio, ci sono 237 modi in cui il palladio può essere combinato con lo zinco per ottenere una coppia di atomi di palladio che sono isolati", ha detto Janik, riferendosi ai risultati dell'app web durante l'inserimento dei due metalli. "Poi puoi scaricare la struttura degli atomi per ciascuno degli arrangiamenti."

Il gruppo di ricerca sta ora utilizzando gli approcci dell'app e della scienza dei dati per prevedere in modo computazionale catalizzatori attivi e selettivi per una serie di reazioni importanti dal punto di vista industriale. + Esplora ulteriormente

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