Metalli e ossidi metallici depositati sulle estremità opposte di un nanotubo di carbonio. a Schema raffigurante un metallo (rosso) in grado di dissociare l'idrogeno (giallo) su un nanotubo di carbonio dove l'idrogeno può viaggiare attraverso un ossido di metallo (blu). b Immagine SEM di una foresta di nanotubi con Pd e TiO2 depositati alle estremità opposte per evaporazione del metallo e dopo trattamento in idrogeno per 1 h a 400 °C. (La barra della scala in b indica 15 micrometri). c–e Porzioni della parte superiore, mezzo e in fondo alla foresta, rispettivamente, ad ingrandimento maggiore. (la barra della scala indica dall'alto verso il basso 200, 500, e 250 nanometri). f–h spettri EDS corrispondenti alle posizioni indicate in c–e. Credito: Comunicazioni sulla natura (2018). DOI:10.1038/s41467-018-06100-9
La ricerca catalitica guidata dal ricercatore dell'Università dell'Oklahoma Steven Crossley ha sviluppato un modo nuovo e più definitivo per determinare il sito attivo in un catalizzatore complesso. La ricerca del suo team è stata recentemente pubblicata in Comunicazioni sulla natura .
I catalizzatori costituiti da particelle metalliche supportate su ossidi riducibili mostrano prestazioni promettenti per una varietà di reazioni industriali attuali ed emergenti, come la produzione di combustibili rinnovabili e prodotti chimici. Sebbene i benefici risultati dei nuovi materiali siano evidenti, identificare la causa dell'attività del catalizzatore può essere difficile. I catalizzatori spesso vengono scoperti e ottimizzati per tentativi ed errori, rendendo difficile disaccoppiare le numerose possibilità. Ciò può portare a decisioni basate su prove speculative o indirette.
"Quando si posiziona il metallo sul supporto attivo, l'attività catalitica e la selettività sono molto migliori di quanto ci si aspetterebbe che se si dovessero combinare le prestazioni del metallo con il solo supporto, " ha spiegato Crossley, un ingegnere chimico, Teigen Presidential Professor e Sam A. Wilson Professor all'interno del Gallogly College of Engineering. "La sfida è che, quando metti insieme i due componenti, è difficile capire la causa delle prestazioni promettenti." Comprendere la natura del sito attivo catalitico è fondamentale per controllare l'attività e la selettività di un catalizzatore.
Il nuovo metodo di Crossley per separare i siti attivi mantenendo la capacità del metallo di creare potenziali siti attivi sul supporto utilizza nanotubi di carbonio cresciuti verticalmente che agiscono come "autostrade dell'idrogeno". Per determinare se l'attività catalitica proveniva dal contatto diretto tra il supporto e il metallo o da effetti promotori indotti dal metallo sul supporto di ossido, Il team di Crossley ha separato il metallo palladio dal catalizzatore di ossido di titanio da una distanza controllata su un ponte conduttivo di nanotubi di carbonio. I ricercatori hanno introdotto l'idrogeno nel sistema e verificato che l'idrogeno era in grado di migrare lungo i nanotubi per creare nuovi potenziali siti attivi sul supporto di ossido. Hanno quindi testato l'attività catalitica di questi materiali e l'hanno confrontata con l'attività degli stessi materiali quando il metallo e il supporto erano a diretto contatto fisico.
"In tre esperimenti, siamo stati in grado di escludere diversi scenari e dimostrare che è necessario avere un contatto fisico tra il palladio e il titanio per produrre metilfurano in queste condizioni, " ha detto Crossley.
Le autostrade dell'idrogeno di nanotubi di carbonio possono essere utilizzate con una varietà di diversi catalizzatori bifunzionali.
"Utilizzando questo metodo semplice e diretto, possiamo capire meglio come funzionano questi materiali complessi, e utilizzare queste informazioni per creare catalizzatori migliori, " ha detto Crossley.
