(PhysOrg.com) -- I chimici dell'Università dello Utah hanno dimostrato il primo legame conclusivo tra la dimensione delle particelle di catalizzatore su una superficie solida, le loro proprietà elettroniche e la loro capacità di accelerare le reazioni chimiche. Lo studio è un passo verso l'obiettivo di progettare più economici, catalizzatori più efficienti per aumentare la produzione di energia, ridurre i gas che provocano il riscaldamento della terra e produrre un'ampia varietà di prodotti, dai medicinali alla benzina.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano le reazioni chimiche senza essere consumati dalla reazione. Sono usati per fabbricare la maggior parte dei prodotti chimici e molti prodotti industriali. L'economia mondiale dipende da loro.

“Una delle grandi incertezze nella catalisi è che nessuno capisce davvero quale dimensione delle particelle del catalizzatore faccia effettivamente accadere una reazione chimica, "dice Scott Anderson, un professore di chimica dell'Università dello Utah e autore senior dello studio nel venerdì, Numero del 6 novembre della rivista Scienza . “Se potessimo capire quali fattori controllano l'attività nei catalizzatori, allora potremmo realizzare catalizzatori migliori e meno costosi”.

“La maggior parte dei catalizzatori sono metalli nobili costosi come oro, palladio o platino, " Aggiunge. "Dì in un catalizzatore d'oro, la maggior parte del metallo è sotto forma di grandi particelle, ma quelle grandi particelle sono inattive e solo le nanoparticelle con circa 10 atomi sono attive. Ciò significa che più del 90% dell'oro nel catalizzatore non sta facendo nulla. Se potessi creare un catalizzatore solo con particelle della giusta dimensione, potresti risparmiare il 90 percento o più del costo.”

Inoltre, "C'è un enorme interesse nell'imparare a realizzare catalizzatori con metalli di base molto meno costosi come il rame, nichel e zinco, "dice Anderson. "E il modo in cui lo farai è "sintonizzare" le loro proprietà chimiche, il che significa mettere a punto le proprietà elettroniche perché gli elettroni controllano la chimica”.

L'idea è di “prendere un metallo che non è cataliticamente attivo e, quando lo riduci alla dimensione appropriata [particelle], può diventare catalizzatore, "dice Anderson. "Questo è il fulcro del nostro lavoro:cercare di identificare e capire quali dimensioni delle particelle metalliche sono attive come catalizzatori e perché sono attive come catalizzatori".

Nel nuovo studio, Anderson e i suoi studenti hanno fatto un passo verso la "sintonizzazione" dei catalizzatori per avere le proprietà desiderate dimostrando, per la prima volta, che la dimensione delle "nanoparticelle" del catalizzatore metallico depositate su una superficie influisce non solo sul livello di attività del catalizzatore, ma le proprietà elettroniche delle particelle.

Anderson ha condotto lo studio con gli studenti di dottorato in chimica Bill Kaden e William Kunkel, e con l'ex dottorando Tianpin Wu. Kaden è stato il primo autore.

“I catalizzatori sono una parte enorme dell'economia, "dice Anderson. “I catalizzatori sono usati praticamente per ogni processo industriale, dalla produzione di benzina e polimeri alla bonifica dell'inquinamento e ai propulsori a razzo”.

I catalizzatori sono utilizzati nel 90% dei processi di produzione chimica degli Stati Uniti e per realizzare oltre il 20% di tutti i prodotti industriali, e quei processi consumano grandi quantità di energia, secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Inoltre, l'industria produce il 21% delle emissioni di anidride carbonica degli Stati Uniti per il riscaldamento della terra, di cui il 3% dall'industria chimica, dice DOE.

Così, migliorare l'efficienza dei catalizzatori è "la chiave sia per il risparmio energetico che per la riduzione delle emissioni di anidride carbonica, "dice l'agenzia.

I catalizzatori sono utilizzati anche nella produzione di farmaci; trasformazione dei prodotti alimentari; celle a combustibile; produzione di fertilizzanti; conversione del gas naturale, carbone o biomassa in combustibili liquidi; e sistemi per ridurre gli inquinanti e migliorare l'efficienza della combustione nella produzione di energia.

La North American Catalysis Society afferma che i catalizzatori contribuiscono al 35 percento o più del prodotto interno lordo globale. “La maggior parte di questo contributo proviene dalla generazione di combustibili ad alta energia (benzina, diesel, idrogeno), che dipendono in modo critico dall'uso di piccole quantità di catalizzatori nelle... raffinerie di petrolio, "dice il gruppo.

“Lo sviluppo di catalizzatori economici … è fondamentale per la cattura di energia, conversione e conservazione, "dice Henry White, professore e cattedra di chimica presso l'Università dello Utah. "Questa ricerca è vitale per la sicurezza energetica della nazione".

Catalyst Research:cosa hanno dimostrato gli studi precedenti e il nuovo studio

Molti catalizzatori importanti, come quelli dei convertitori catalitici che riducono le emissioni dei veicoli a motore, sono costituiti da particelle metalliche di dimensioni variabili dai micron ai nanometri.

Poiché la dimensione di una particella di metallo catalizzatore viene ridotta su scala nanometrica, le sue proprietà inizialmente rimangono le stesse di una particella più grande, dice Anderson. Ma quando la dimensione è inferiore a circa 10 nanometri - contenente circa 10, 000 atomi di catalizzatore - i movimenti degli elettroni nel metallo sono confinati, così le loro energie intrinseche sono aumentate.

Quando ci sono meno di circa 100 atomi nelle particelle di catalizzatore, le variazioni dimensionali determinano anche fluttuazioni nella struttura elettronica degli atomi del catalizzatore. Queste fluttuazioni influenzano fortemente la capacità delle particelle di agire come catalizzatori, dice Anderson.

Esperimenti precedenti hanno documentato che le proprietà elettroniche e chimiche di un catalizzatore sono influenzate dalle dimensioni delle particelle di catalizzatore che galleggiano in un gas. Ma quelle particelle di catalizzatore isolate sono molto diverse dai catalizzatori che sono montati su una superficie di ossido di metallo - il modo in cui il metallo del catalizzatore è supportato nei veri catalizzatori industriali.

Esperimenti passati con catalizzatori montati su una superficie spesso includevano un'ampia varietà di dimensioni delle particelle. Quindi quegli esperimenti non sono riusciti a rilevare come l'attività chimica e le proprietà elettroniche del catalizzatore variano a seconda delle dimensioni delle singole particelle.

Anderson è stato il primo chimico americano a ordinare le particelle di catalizzatore metallico in base alle dimensioni ea dimostrare come la loro reattività cambia con le dimensioni. Nei lavori precedenti, ha studiato le particelle di catalizzatore d'oro depositate su biossido di titanio.

Il nuovo studio ha utilizzato particelle di palladio di dimensioni specifiche che sono state depositate su biossido di titanio e utilizzate per convertire il monossido di carbonio in anidride carbonica.

Lo studio non solo ha mostrato come l'attività catalitica varia con la dimensione delle particelle del catalizzatore, “ma siamo stati in grado di correlare quella dipendenza dalle dimensioni con le differenze elettroniche osservate nelle particelle di catalizzatore, "dice Kaden. “La gente aveva ipotizzato che questo dovesse accadere, ma nessuno l'ha mai visto».

Anderson dice che è la prima dimostrazione di una forte correlazione tra le dimensioni e l'attività di un catalizzatore su una superficie metallica e le proprietà elettroniche del catalizzatore.

Come è stato condotto lo studio

Utilizzando un elaborato apparato nel laboratorio di Anderson, i chimici puntarono un raggio laser per vaporizzare il palladio, creando carica elettrica, nanoparticelle di palladio in un vapore trasportato da un flusso di gas elio.

I campi elettromagnetici vengono utilizzati per catturare le particelle e inviarle attraverso uno spettrometro di massa, che seleziona solo le dimensioni delle particelle di palladio che Anderson e colleghi vogliono studiare. Le particelle desiderate vengono quindi depositate su un singolo cristallo di ossido di titanio che misura meno di mezzo pollice su un lato.

Prossimo, i chimici utilizzano vari metodi per caratterizzare il campione di particelle di catalizzatore di palladio:in particolare le proprietà elettroniche del catalizzatore di palladio, forma fisica e attività chimica.

Fornito da University of Utah (notizie:web)