C’è un alto livello di interesse, se non addirittura entusiasmo, tra chimici e scienziati dei materiali riguardo al potenziale dei catalizzatori a singolo atomo (SAC), ma il loro sviluppo si basa su strumenti molto specializzati disponibili solo nei sincrotroni come la Canadian Light Source (CLS) al Università del Saskatchewan (USAsk).
"Si tratta di un'area di ricerca davvero entusiasmante", ha affermato il dottor Peng Zhang, professore di chimica e ingegneria biomedica presso la Dalhousie University e utilizzatore di CLS da molto tempo.
I catalizzatori sono nanoparticelle rivestite con materiali, spesso metalli costosi come platino, palladio e oro, che accelerano le reazioni chimiche. Uno svantaggio significativo dei catalizzatori convenzionali è che solo una piccola percentuale del materiale catalitico viene utilizzata nella reazione chimica, rendendoli inefficienti e dispendiosi, ha spiegato Zhang.
Con la crescente domanda di energia pulita e sostenibile, l’utilizzo delle SAC nei sistemi energetici può aiutare l’ambiente e risparmiare denaro. I SAC presentano vantaggi come rendere le reazioni più efficienti, utilizzare metalli meno rari e migliorare le prestazioni di dispositivi come celle a combustibile e batterie. Possono anche aiutare a immagazzinare energia rinnovabile da fonti come il sole e il vento, rendendola più affidabile.
Nel caso dei convertitori catalitici automobilistici, progettati per convertire le emissioni di scarico in inquinanti meno tossici, Zhang ha affermato che meno della metà degli atomi di platino nel catalizzatore sono disponibili per la necessaria reazione chimica.
L'obiettivo della ricerca SAC è controllare la struttura atomica superficiale dei catalizzatori con singoli atomi del materiale catalitico in una matrice di materiale meno costoso, garantendo che tutto il materiale sia disponibile per la reazione. "Quando si progetta il catalizzatore in modo che abbia una struttura a singolo atomo, è possibile migliorarne significativamente l'attività e le prestazioni nell'applicazione catalitica", ha affermato Zhang.
Le sfide legate al lavoro a livello di un singolo atomo sono significative, ha ammesso, ma è qui che entra in gioco il CLS.
"Se pensi ai catalizzatori a singolo atomo, sono così piccoli che hai bisogno di uno strumento di ricerca speciale per scoprirne la struttura" per capire come sono disposti gli atomi e quali atomi sono presenti. "Anche con il microscopio elettronico più potente, probabilmente puoi vedere un singolo atomo, ma se usi la tecnologia del sincrotrone, puoi ottenere una risoluzione 100 volte più piccola."
Zhang ha iniziato a utilizzare strutture e tecniche di sincrotrone più di 20 anni fa nella sua ricerca sui materiali come dottorato di ricerca. studente presso l'Università dell'Ontario Occidentale. Quando il CLS ha aperto nel 2004, "ero così entusiasta di sapere che abbiamo il nostro primo sincrotrone canadese", ha detto. Da allora, e come il suo dottorato di ricerca. supervisore, ha inviato i suoi studenti al CLS e al suo sincrotrone partner, l'Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, vicino a Chicago) per condurre esperimenti SAC sul posto.
Dal punto di vista della ricerca di base, Zhang ha affermato che rimangono due grandi ostacoli nello sviluppo di catalizzatori a singolo atomo.
"In primo luogo, vogliamo davvero capire meglio perché alcuni catalizzatori a singolo atomo sono così buoni, così attivi, ma a volte potrebbero non essere stabili dopo poche ore, quindi dobbiamo progettare catalizzatori a singolo atomo affinché siano attivi per un lungo periodo (di tempo). C'è molto lavoro da fare con questi catalizzatori per renderli più potenti e più utilizzabili."
L'altra sfida è l'incremento dell'uso delle SAC su scala commerciale.
"Vogliamo collaborare con persone dell'industria chimica per trovare applicazioni nel mondo reale", ha affermato Zhang. "In laboratorio si ha una catalisi su scala molto piccola, ma nell'industria chimica è mille volte più grande." La capacità di potenziare una reazione catalitica a singolo atomo apre le porte a "tutti i tipi di applicazioni dell'industria chimica".
Sebbene il potenziale futuro sia entusiasmante, Zhang ha affermato che la ricerca fondamentale sulla SAC sarebbe impossibile senza "l'accesso a strutture di livello mondiale come CLS e APS".
La ricerca è pubblicata sulla rivista Accounts of Chemical Research .
Ulteriori informazioni: Ziyi Chen et al, Analisi strutturale di catalizzatori a singolo atomo mediante spettroscopia di assorbimento di raggi X, Conti di ricerca chimica (2024). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00693
Informazioni sul giornale: Conti della ricerca chimica
Fornito da Canadian Light Source
