Un soffio di plasma, quando combinato con un catalizzatore di dimensioni nanometriche, può far sì che le reazioni chimiche procedano più velocemente, più selettivamente, a temperature più basse, o a tensioni inferiori rispetto a quelle senza plasma, e nessuno sa davvero perché.

Utilizzando la modellazione al computer, Juliusz Kruszelnicki dell'Università del Michigan ha studiato le interazioni tra plasmi e catalizzatori metallici incorporati in perline di ceramica in un reattore a letto impaccato. Ha scoperto che insieme, i metalli, perline e gas creano plasma che intensifica i campi elettrici e riscalda localmente il catalizzatore, che può quindi accelerare le reazioni.

Kruszelnicki parlerà di questo lavoro all'American Physical Society 71st Annual Gaseous Electronics Conference e al 60th Annual meeting of the APS Division of Plasma Physics, che si svolgerà la prossima settimana, 5-9 novembre all'Oregon Convention Center di Portland.

Questi reattori al plasma hanno un enorme potenziale per rendere i processi chimici di valore più efficienti ed economici, come eliminare l'inquinamento atmosferico, convertire l'anidride carbonica in combustibili e produrre ammoniaca per fertilizzanti, attraverso la "conversione chimica del plasma".

"La combinazione di sistemi termocatalitici e plasmi consente nuove strade per la produzione di prodotti chimici che altrimenti non sarebbero in grado di produrre, o forse per farlo con maggiore efficienza, " disse Kruszelnicki.

Kruszelnicki ha modellato le interazioni di plasma e catalizzatori utilizzando codici multifisici avanzati sviluppati nel laboratorio di Mark J. Kushner presso l'Università del Michigan. Questi includono moduli per fenomeni come l'elettromagnetismo, chimica di superficie, fluidodinamica e cinetica chimica. Ha modellato un reattore a letto pieno, che è un tubo pieno di perline di ceramica, con una corrente elettrica che passa attraverso elettrodi concentrici. Quando i gas si muovono attraverso il reattore, catalizzatori li fanno reagire in modi specifici, come combinare azoto e idrogeno per generare ammoniaca.

Kruszelnicki ha scoperto che quando le perle sono incorporate con particelle metalliche di catalizzatore e quindi elettrificate, avviene l'emissione di elettroni in campo, che consente densità di plasma più elevate. Il plasma riscalda il catalizzatore, che può far sì che la reazione chimica proceda in modo più rapido ed efficiente, potenzialmente riducendo la potenza applicata necessaria per la reazione.

"Attraverso questo processo di localizzazione del campo elettrico, gli elettroni possono essere emessi dalla superficie delle particelle metalliche e avviare un plasma, dove altrimenti non accadrebbe, " disse Kruszelnicki.

Simulando la chimica del plasma a bassa temperatura, Kruszelnicki e altri membri del laboratorio Kushner stanno scoprendo nuovi modi in cui plasma e catalizzatori lavorano insieme per rendere la conversione chimica del plasma più efficiente rispetto alla conversione chimica tradizionale. Attualmente stanno lavorando con il programma dei centri di ricerca cooperativa industria-università della National Science Foundation per collaborare con le aziende per tradurre questa ricerca per l'uso nell'industria. Sperano anche che questi processi più efficienti siano compatibili con le applicazioni off-the-grid, come la produzione di fertilizzanti per gli agricoltori di sussistenza utilizzando l'energia solare.