Una tecnica semplice che utilizza piccole quantità di energia potrebbe aumentare l’efficienza di alcune reazioni chiave di elaborazione chimica, fino a un fattore di 100.000, riferiscono i ricercatori del MIT. Queste reazioni sono al centro dei processi petrolchimici, della produzione farmaceutica e di molti altri processi chimici industriali.

I risultati sorprendenti sono riportati nella rivista Science , in un articolo dello studente laureato del MIT Karl Westendorff, dei professori Yogesh Surendranath e Yuriy Roman-Leshkov e di altri due.

"I risultati sono davvero sorprendenti", afferma Surendranath, professore di chimica e ingegneria chimica. Aumenti di velocità di tale entità sono stati osservati in precedenza, ma in una diversa classe di reazioni catalitiche note come semireazioni redox, che comportano l’acquisto o la perdita di un elettrone. I tassi notevolmente aumentati riportati nel nuovo studio "non sono mai stati osservati per reazioni che non comportano ossidazione o riduzione", afferma.

Le reazioni chimiche non redox studiate dal team del MIT sono catalizzate da acidi. "Se sei uno studente di chimica del primo anno, probabilmente il primo tipo di catalizzatore che impari è un catalizzatore acido", afferma Surendranath. Esistono molte centinaia di reazioni catalizzate da acidi "e sono estremamente importanti in tutto, dalla lavorazione di materie prime petrolchimiche alla produzione di prodotti chimici di base fino alla trasformazione di prodotti farmaceutici. L'elenco potrebbe continuare all'infinito."

"Queste reazioni sono fondamentali per realizzare molti prodotti che utilizziamo quotidianamente", aggiunge Roman-Leshkov, professore di ingegneria chimica e chimica.

Ma coloro che studiano le semireazioni redox, note anche come reazioni elettrochimiche, fanno parte di una comunità di ricerca completamente diversa rispetto a coloro che studiano le reazioni chimiche non redox, note come reazioni termochimiche. Di conseguenza, anche se la tecnica utilizzata nel nuovo studio, che prevede l'applicazione di una piccola tensione esterna, era ben nota nella comunità di ricerca elettrochimica, non era stata applicata sistematicamente alle reazioni termochimiche catalizzate da acidi.

Le persone che lavorano sulla catalisi termochimica, dice Surendranath, "solitamente non considerano" il ruolo del potenziale elettrochimico sulla superficie del catalizzatore "e spesso non hanno buoni metodi per misurarlo. E ciò che questo studio ci dice è che relativamente piccoli cambiamenti, dell'ordine di poche centinaia di millivolt, possono avere impatti enormi:cambiamenti di ordini di grandezza nella velocità delle reazioni catalizzate su quelle superfici."

"Questo parametro trascurato del potenziale superficiale è qualcosa a cui dovremmo prestare molta attenzione perché può avere un effetto davvero, davvero fuori misura", dice. "Cambia il paradigma del modo in cui pensiamo alla catalisi."

I chimici tradizionalmente pensano alla catalisi superficiale basata sull'energia di legame chimico delle molecole ai siti attivi sulla superficie, che influenza la quantità di energia necessaria per la reazione, dice. Ma le nuove scoperte mostrano che l'ambiente elettrostatico è "ugualmente importante nel definire la velocità della reazione."

Il team ha già depositato una domanda di brevetto provvisorio su parti del processo e sta lavorando su come applicare i risultati a processi chimici specifici. Westendorff afferma che i risultati suggeriscono che "dovremmo progettare e sviluppare diversi tipi di reattori per trarre vantaggio da questo tipo di strategia. E stiamo lavorando proprio ora per ampliare questi sistemi".

Mentre finora gli esperimenti sono stati condotti con un elettrodo planare bidimensionale, la maggior parte delle reazioni industriali vengono eseguite in recipienti tridimensionali riempiti di polveri. I catalizzatori vengono distribuiti attraverso queste polveri, fornendo una superficie molto più ampia su cui possono avvenire le reazioni.

"Stiamo esaminando come viene attualmente effettuata la catalisi nell'industria e come possiamo progettare sistemi che sfruttino l'infrastruttura già esistente", afferma Westendorff.

Surendranath aggiunge che queste nuove scoperte "aumentano possibilità allettanti:si tratta di un fenomeno più generale? Il potenziale elettrochimico gioca un ruolo chiave anche in altre classi di reazioni? Nella nostra mente, questo rimodella il modo in cui pensiamo alla progettazione di catalizzatori e alla promozione della loro reattività".

Roman-Leshkov aggiunge che "tradizionalmente le persone che lavorano nella catalisi termochimica non associano affatto queste reazioni ai processi elettrochimici. Tuttavia, introdurre questa prospettiva nella comunità ridefinirà il modo in cui possiamo integrare le caratteristiche elettrochimiche nella catalisi termochimica. Avrà un grande impatto sulla comunità in generale."

Anche se in genere c'è stata poca interazione tra i ricercatori della catalisi elettrochimica e termochimica, Surendranath afferma:"Questo studio mostra alla comunità che il confine tra i due è davvero sfumato e che esiste un'enorme opportunità nella fecondazione incrociata tra queste due comunità ."

Westerndorff aggiunge che per farlo funzionare "è necessario progettare un sistema che sia piuttosto non convenzionale per entrambe le comunità per isolare questo effetto". E questo aiuta a spiegare perché un effetto così drammatico non si era mai visto prima. Nota che anche l'editore del loro articolo ha chiesto loro perché questo effetto non fosse stato segnalato prima.

La risposta ha a che fare con “quanto disparate fossero queste due ideologie prima di questo”, dice. "Non è solo che le persone non parlano davvero tra loro. Esistono profonde differenze metodologiche tra il modo in cui le due comunità conducono gli esperimenti. E questo lavoro è davvero, riteniamo, un grande passo verso un collegamento tra i due."

In pratica, i risultati potrebbero portare a una produzione molto più efficiente di un’ampia varietà di materiali chimici, afferma il team. "Si ottengono cambiamenti di ordini di grandezza nella velocità con un apporto energetico minimo", afferma Surendranath. "Questo è ciò che è sorprendente."

I risultati, dice, "costruiscono un quadro più olistico di come funzionano le reazioni catalitiche alle interfacce, indipendentemente dal fatto che le si intenda inserire nella categoria delle reazioni elettrochimiche o delle reazioni termochimiche". Aggiunge che "è raro trovare qualcosa che possa davvero rivedere la nostra comprensione fondamentale delle reazioni catalitiche superficiali in generale. Siamo molto entusiasti."

Ulteriori informazioni: Karl S. Westendorff et al, Il trasferimento di protoni guidato elettricamente promuove la catalisi dell'acido di Brønsted per ordini di grandezza, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adk4902. www.science.org/doi/10.1126/science.adk4902

Informazioni sul giornale: Scienza

Fornito dal Massachusetts Institute of Technology

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.