In collaborazione con ricercatori negli Stati Uniti, in Cina e nei Paesi Bassi, il dottor Zhenhua Zeng e il professor Jeffrey Greeley della Davidson School of Chemical Engineering, hanno avanzato la ricerca sulla catalisi e la progettazione di catalizzatori attraverso l'esplorazione di siti attivi.
I loro risultati non solo offrono preziose prospettive sulla reattività catalitica precedente e sugli studi sui siti attivi, ma prevedono anche lo sviluppo di nuovi catalizzatori con prestazioni notevolmente migliorate.
L'uso di catalizzatori eterogenei nelle reazioni chimiche è diffuso, fermo restando che un'elevata attività catalitica si verifica solo su specifici siti superficiali. "La determinazione della struttura molecolare dei siti attivi catalitici è un obiettivo centrale e di lunga data della scienza della catalisi. La ricerca attuale identifica e classifica questi siti attivi attraverso motivi superficiali distinti, come gradini e terrazze.
"Questa categorizzazione spesso semplifica eccessivamente la complessità dell'identificazione dei siti attivi, il che può portare a una classificazione incerta dei siti attivi e a previsioni errate dell'attività catalitica. Pertanto, questa identificazione errata ostacola le opportunità di progettazione del catalizzatore", ha affermato il professor Greeley.
Pubblicato in Natura , l'articolo "Reattività sito-specifica delle superfici a gradini di Pt guidate dal rilascio dello stress" rivela una soluzione per la categorizzazione eccessivamente semplificata:reattività sito-specifica atomica guidata dal rilascio dello stress superficiale, che è stata spesso trascurata nell'attuale processo di classificazione.
"Questo studio dimostra l'esistenza di una classe fondamentalmente nuova di siti attivi, composta da diverse strutture superficiali accoppiate da campi estesi di stress e deformazione nella superficie del catalizzatore, che potrebbe portare a nuovi entusiasmanti catalizzatori per celle a combustibile e relativi dispositivi elettrochimici", ha affermato Greeley .
Utilizzando come esempi le superfici a gradini di Pt(111) e la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) nelle celle a combustibile, l'articolo mostra che il rilascio dello stress superficiale produce campi di deformazione disomogenei, portando a strutture elettroniche distinte e reattività per atomi a terrazza con identica coordinazione locale.
Inoltre, gli atomi della terrazza che circondano i gradini possono sperimentare un potenziamento fino a 50 volte superiore rispetto agli atomi al centro della terrazza, facendo sì che alcune aree della terrazza subiscano un'attività ORR più o meno elevata. I ricercatori hanno concluso che la capacità di controllare la reattività dell'ORR modificando la larghezza delle terrazze o regolando lo stress esterno apre nuove porte per la progettazione dei catalizzatori.
"Il nostro lavoro sfida l'ipotesi convenzionale di reattività uniforme tra siti atomici con ambienti locali identici, rivelando una reattività distinta indotta da imperfezioni anche minori", ha affermato Zeng.
"Questo documento fornisce approfondimenti su scala atomica sui siti attivi delle superfici a gradini di Pt, concentrandosi in particolare sul loro ruolo nelle celle a combustibile a idrogeno. Questa comprensione fondamentale non solo fornisce approfondimenti convincenti sugli esperimenti precedenti, ma prevede anche nuovi catalizzatori con prestazioni significativamente migliorate."
I risultati generati da questa ricerca consentono una nuova lente attraverso la quale i ricercatori vedono i siti atomici cataliticamente attivi e i principi che governano la progettazione di catalizzatori eterogenei.
Il collaboratore, il professor Marc Koper dell'Università di Leiden, ha dichiarato:"Questo lavoro è un bellissimo esempio di come una collaborazione dedicata tra calcoli ed esperimenti di alta qualità possa portare una visione unica su un problema di lunga data nell'elettrocatalisi superficiale, vale a dire come e se la deformazione superficiale locale può influenzare la reattività chimica. Sono lieto di aver preso parte a questo sforzo di collaborazione."
Ulteriori informazioni: Guangdong Liu et al, Reattività specifica del sito delle superfici di Pt a gradini guidate dal rilascio di stress, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07090-z
Fornito dalla Purdue University
