La catalisi è una delle tecnologie chiave dell’industria chimica e ha un impatto di vasta portata su vari aspetti della nostra vita quotidiana, tra cui la produzione di materie plastiche, la sintesi di farmaci e la produzione di fertilizzanti e carburanti. Si stima che oltre il 90% dei prodotti chimici siano oggi fabbricati coinvolgendo almeno una fase di catalisi. La catalisi è un processo complesso che si basa sul preciso controllo strutturale di diversi elementi all'incrocio delle (in)stabilità di fase.
Mentre i catalizzatori stabili a lungo termine sono indispensabili per promuovere reazioni efficienti e ad alte prestazioni, i reagenti subiscono importanti cambiamenti chimici, che portano alla formazione dei prodotti finali desiderati. Nella catalisi eterogenea, catalizzatore e reagenti esistono in fasi diverse.
Tra i vari processi catalitici eterogenei, il dry reforming del metano (DRM) è recentemente diventato oggetto di attenzione accademica, poiché converte due gas serra, il metano (CH4 ) e anidride carbonica (CO2 ), in idrogeno (H2 ) e monossido di carbonio (CO). Questa miscela è nota anche come gas di sintesi e può essere utilizzata per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili creando consecutivamente idrocarburi più grandi tramite la chimica Fischer-Tropsch.
Sebbene i catalizzatori a base di nichel e cobalto, essendo a basso costo e altamente disponibili sulla Terra, abbiano mostrato attività promettenti per il DRM, la progettazione di catalizzatori ad alte prestazioni è spesso impegnativa, poiché la connessione tra la dinamica chimica, la formazione delle specie superficiali attive e la loro generalmente mancano i percorsi di reazione. Questa conoscenza può essere acquisita solo attraverso i cosiddetti esperimenti di operando, in cui struttura e funzione vengono analizzate simultaneamente.
Uno sforzo di collaborazione da parte di scienziati dei Dipartimenti di Chimica Inorganica e Teoria dell'Istituto Fritz Haber della Max Planck Society di Berlino ha fornito approfondimenti fondamentali sui processi che si verificano sulla superficie del catalizzatore e su come questo modula le prestazioni catalitiche durante il DRM.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Catalysis .
In particolare, il team ha studiato il ruolo di diverse specie di ossigeno su un catalizzatore di nichel durante il DRM utilizzando una combinazione di tecniche scientifiche sperimentali e computazionali, tra cui la microscopia elettronica a scansione operando, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente e la visione artificiale.
Hanno evidenziato il ruolo critico della CO2 dissociativa adsorbimento nel regolare il contenuto di ossigeno del catalizzatore e CH4 Attivazione. Inoltre, hanno scoperto la presenza di tre specie di ossigeno metastabile nel catalizzatore:ossigeno superficiale atomico, ossigeno sotterraneo e NiOx in massa. . È interessante notare che questi mostravano proprietà catalitiche diverse e la loro interazione e trasformazione ha dato origine a oscillazioni negli stati superficiali e nella funzione catalitica.
Hanno osservato che parte dell'ossigeno superficiale fuoriusciva nella massa del catalizzatore, riducendo la disponibilità del catalizzatore per CH4 attivazione e favorendo la CO2 e O diffusione invece.
L'entità della perdita è stata ulteriormente dimostrata mediante spettroscopia a raggi X e microscopia elettronica a trasmissione, rivelando la presenza di ossigeno a diversi nanometri sotto la superficie dei catalizzatori. Di conseguenza, furono esposti nuovi siti metallici, portando così ad un aumento del tasso di assorbimento di ossigeno e ad una diminuzione dell'H2 rapporto prodotto /CO.
Infine, hanno capito che la co-alimentazione di CO2 è essenziale per CH4 conversione, probabilmente favorendone l'attivazione insieme alla presenza di specie ossigenate.
"È stato impressionante vedere come la metastabilità del sistema Ni-O autoregola le prestazioni catalitiche e che un elemento dei reagenti può dirigere l'intero processo, che dipende dalla sua posizione e dalla sua chimica. Ci auguriamo che i nostri risultati possano dare nuovo slancio nel regolare la longevità e la selettività nella catalisi", afferma il Dott. Thomas Lunkenbein, responsabile del progetto e coautore dello studio.
Comprendere la metastabilità delle superfici dei catalizzatori, oltre a come controllarli per stabilizzare lo stato attivo dinamico, ha importanti implicazioni per il futuro della catalisi. In particolare, fornisce intuizioni che possono essere trasferite a livello industriale e alla progettazione di reattori in cui è favorito uno stato attivo con compromessi energetici minimi.
Ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando ossidanti più potenti, come l'acqua (H2 O) e protossido di azoto (N2 O), oppure lavorando sulla riduzione della perdita di ossigeno nella massa mediante nanoparticelle o tecnologia a film sottile. Lo sviluppo di catalizzatori basati su film sottili su misura è al centro di CatLab, una piattaforma di ricerca congiunta tra FHI, Centro Helmholtz di Berlino (HZB).
Ulteriori informazioni: Luis Sandoval-Diaz et al, Le specie metastabili di nichel-ossigeno modulano le oscillazioni della velocità durante il reforming a secco del metano, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01090-4
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito dalla Max Planck Society
