La "regola dei dieci elettroni" fornisce una guida per la progettazione di catalizzatori in lega a singolo atomo per reazioni chimiche mirate.
Un team di quattro università ha scoperto una regola molto semplice per progettare catalizzatori in leghe a singolo atomo per reazioni chimiche. La "regola dei dieci elettroni" aiuta gli scienziati a identificare molto rapidamente catalizzatori promettenti per i loro esperimenti. Invece di estesi esperimenti per tentativi ed errori di simulazioni al computer impegnative dal punto di vista computazionale, la composizione dei catalizzatori può essere proposta semplicemente osservando la tavola periodica.
Le leghe monoatomo sono una classe di catalizzatori costituiti da due metalli:alcuni atomi di metallo reattivo, chiamato drogante, sono diluiti in un metallo inerte (rame, argento o oro). Questa recente tecnologia è estremamente efficiente nell'accelerare le reazioni chimiche, ma i modelli tradizionali non spiegano come funzionano.
Il team, che ha lavorato presso l'Università di Cambridge, l'University College di Londra, l'Università di Oxford e l'Università Humboldt di Berlino, ha pubblicato la propria ricerca su Nature Chemistry . Gli scienziati hanno effettuato simulazioni al computer per svelare le leggi sottostanti che controllano il funzionamento dei catalizzatori in lega a singolo atomo.
La regola mostrava una connessione semplice:le sostanze chimiche si legano più fortemente ai catalizzatori in lega a singolo atomo quando il drogante è circondato da dieci elettroni. Ciò significa che gli scienziati che progettano esperimenti ora possono semplicemente utilizzare le colonne della tavola periodica per scoprire quali catalizzatori avranno le proprietà desiderate per le loro reazioni.
Il Dott. Romain Réocreux, ricercatore post-dottorato nel gruppo del Prof. Angelos Michaelides, che ha condotto questa ricerca, afferma:"Quando si ha una reazione chimica difficile, è necessario un catalizzatore con proprietà ottimali. Da un lato, un legante forte il catalizzatore può avvelenare e smettere di accelerare la tua reazione; d'altro canto, un catalizzatore che si lega debolmente potrebbe semplicemente non fare nulla."
"Ora possiamo identificare il catalizzatore ottimale semplicemente osservando una colonna della tavola periodica. Questo è molto potente poiché la regola è semplice e può accelerare la scoperta di nuovi catalizzatori per reazioni chimiche particolarmente difficili."
Il Prof. Stamatakis, Professore di Chimica Inorganica Computazionale presso l'Università di Oxford, che ha contribuito alla ricerca, afferma:"Dopo un decennio di intensa ricerca sulle leghe a singolo atomo, ora disponiamo di un quadro teorico elegante, semplice ma potente che spiega il legame tendenze energetiche e ci consente di fare previsioni sull'attività catalitica."
Utilizzando questa regola, il team ha proposto un catalizzatore promettente per una versione elettrochimica del processo Haber-Bosch, una reazione chiave per la sintesi di fertilizzanti che utilizza lo stesso catalizzatore sin dalla sua scoperta nel 1909.
La dottoressa Julia Schumann, che ha avviato il progetto all'Università di Cambridge e ora lavora alla Humboldt-Universität di Berlino, spiega:"Molti catalizzatori utilizzati oggi nell'industria chimica sono stati scoperti in laboratorio utilizzando metodi di prova ed errore. Con una migliore comprensione delle proprietà dei materiali, possiamo proporre nuovi catalizzatori con migliore efficienza energetica e riduzione di CO2 emissioni per i processi industriali."
Ulteriori informazioni: Regola del conteggio di dieci elettroni per il legame di adsorbati su catalizzatori di leghe a singolo atomo, Chimica naturale (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01424-6
Fornito dall'Università di Cambridge
