I catalizzatori sono indispensabili per molte tecnologie. Per migliorare ulteriormente i catalizzatori eterogenei, è necessario analizzare i processi complessi sulle loro superfici, dove si trovano i siti attivi. Scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), insieme ai colleghi di Spagna e Argentina, hanno ormai raggiunto progressi decisivi:come riportato in Lettere di revisione fisica , utilizzano metodi di calcolo con i cosiddetti funzionali ibridi per l'interpretazione affidabile dei dati sperimentali.

Molte importanti tecnologie, come i processi di conversione energetica, riduzione delle emissioni, o la produzione di prodotti chimici, lavorare solo con catalizzatori idonei. Per questa ragione, i materiali altamente efficienti per la catalisi eterogenea stanno acquisendo importanza. Nella catalisi eterogenea, il materiale che funge da catalizzatore e le sostanze reagenti esistono in fasi diverse come solido o gas, ad esempio. Le composizioni dei materiali possono essere determinate in modo affidabile con vari metodi. Processi che avvengono sulla superficie del catalizzatore, però, può essere rilevato da quasi nessun metodo di analisi. "Ma sono questi processi chimici altamente complessi sulla superficie più esterna del catalizzatore che sono di importanza decisiva, "dice il professor Christof Wöll, Responsabile dell'Istituto di Interfacce Funzionali (IFG) del KIT. "Là, si trovano i siti attivi, dove avviene la reazione catalizzata."

Esame preciso della superficie dei catalizzatori in polvere

Tra i più importanti catalizzatori eterogenei vi sono gli ossidi di cerio, cioè composti del cerio metallo delle terre rare con l'ossigeno. Esistono sotto forma di polvere e sono costituiti da nanoparticelle di struttura controllata. La forma delle nanoparticelle influenza notevolmente la reattività del catalizzatore. Per studiare i processi sulla superficie di tali catalizzatori in polvere, i ricercatori hanno recentemente iniziato a utilizzare molecole sonda, come le molecole di monossido di carbonio, che si legano alle nanoparticelle. Queste sonde vengono quindi misurate mediante spettroscopia di assorbimento a riflessione infrarossa (IRRAS). La radiazione infrarossa fa vibrare le molecole. Dalle frequenze di vibrazione delle molecole sonda, si possono ottenere informazioni dettagliate sul tipo e sulla composizione dei siti catalitici. Finora, però, l'interpretazione dei dati sperimentali IRRAS è stata molto difficile, perché i catalizzatori in polvere tecnologicamente rilevanti hanno molte bande di vibrazione, la cui esatta assegnazione è impegnativa. I calcoli teorici non servivano a nulla, perché la deviazione dall'esperimento, anche nel caso di sistemi modello, era così grande che le bande di vibrazione osservate sperimentalmente non potevano essere allocate con precisione.

Tempo di calcolo lungo—Alta precisione

Ricercatori dell'Istituto di Interfacce Funzionali (IFG) e dell'Istituto di Ricerca e Tecnologia della Catalisi (IKFT) di KIT, in collaborazione con i colleghi di Spagna e Argentina coordinati dalla Dott.ssa M. Verónica Ganduglia-Pirovano del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) di Madrid, hanno ora identificato e risolto un grosso problema di analisi teorica.

Come riportato in Lettere di revisione fisica , studi teorici sistematici e la convalida dei risultati utilizzando sistemi modello hanno rivelato che i metodi teorici utilizzati finora presentano alcuni punti deboli fondamentali. Generalmente, tali debolezze possono essere osservate nei calcoli utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT), un metodo con il quale è possibile determinare lo stato base della meccanica quantistica di un sistema multielettronico in base alla densità degli elettroni. I ricercatori hanno scoperto che le debolezze possono essere superate con i cosiddetti funzionali ibridi che combinano DFT con il metodo Hartree-Fock, un metodo di approssimazione in chimica quantistica.

Questo rende i calcoli molto complessi, ma anche molto preciso. "I tempi di calcolo richiesti da questi nuovi metodi sono di un fattore 100 più lunghi rispetto ai metodi convenzionali, " afferma Christof Wöll. "Ma questo inconveniente è più che compensato dall'eccellente accordo con i sistemi sperimentali." Utilizzando catalizzatori di ossido di cerio su scala nanometrica, i ricercatori hanno dimostrato questo progresso che può contribuire a rendere i catalizzatori eterogenei più efficaci e durevoli.