Quanti nanometri dovrebbero essere le nanoparticelle di catalizzatore per ottimizzare il corso della reazione? I ricercatori di solito cercano la risposta attraverso laboriose, test ripetitivi. Presso l'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia, è stata sviluppata una tecnica qualitativamente nuova per migliorare il processo di tale ottimizzazione nei sistemi microfluidici. La dimensione delle nanoparticelle del catalizzatore può ora essere modificata in modo interattivo, durante un flusso continuo attraverso il letto di catalizzatore.

Le prestazioni dei catalizzatori portatori di metalli spesso dipendono dalle dimensioni delle nanoparticelle metalliche. Generalmente, la loro dimensione è determinata su molti consecutivi, prove laboriose. Il metodo inflessibile:una volta avviate le reazioni, non si può fare nulla con il catalizzatore. Presso l'Istituto di Chimica Fisica dell'Accademia Polacca delle Scienze (IPC PAS) di Varsavia, il gruppo del Dr. Jacinto Sa ha sviluppato una nuova tecnica per ottimizzare le reazioni chimiche durante il flusso microfluidico continuo attraverso il letto del catalizzatore, e quindi letteralmente "al volo". Ciò è stato ottenuto attraverso il controllo interattivo delle dimensioni delle nanoparticelle del catalizzatore. Grazie alla sua semplicità ed efficienza, questa tecnica innovativa dovrebbe presto essere utilizzata nella ricerca sui nuovi catalizzatori per l'industria farmaceutica e della profumeria, tra gli altri.

"La catalisi a flusso sta diventando sempre più popolare perché porta all'intensificazione di processi importanti per l'industria. La nostra tecnica è il prossimo passo in questa direzione:riduciamo il tempo necessario per determinare le dimensioni delle nanoparticelle di catalizzatore. Ciò significa che possiamo più ottimizzare rapidamente le reazioni chimiche e persino cambiare il loro corso in modo interattivo.Un argomento importante qui è anche il fatto che l'intero processo viene eseguito all'interno di un piccolo dispositivo, così riduciamo i costi di attrezzature aggiuntive, " dice il dottor Sa.

Gli scienziati dell'IPC PAS hanno dimostrato i loro risultati con un sistema basato su un microreattore a flusso disponibile in commercio dotato di una cartuccia sostituibile con un catalizzatore metallico appositamente progettato. Per elettrolisi dell'acqua, il microreattore selezionato potrebbe fornire idrogeno, necessario per l'idrogenazione dei composti chimici nel liquido che scorre, al letto del catalizzatore. Il mezzo di reazione era una soluzione di citrale, un composto aldeidico organico con un profumo di limone.

L'esperimento ha utilizzato il catalizzatore al nichel NiTSNH ₂ sotto forma di una fine polvere nera, che è stato precedentemente sviluppato presso l'IPC PAS. È costituito da grani di resina polimerica ricoperti da nanoparticelle di nichel. La granulometria è di ca. 130 micrometri e le nanoparticelle del catalizzatore sono inizialmente da tre a quattro nanometri.

"Al centro del nostro risultato è mostrare come modificare la morfologia delle nanoparticelle di catalizzatore in una sequenza con una reazione chimica. Dopo ogni cambiamento nella dimensione delle nanoparticelle, otteniamo informazioni immediate sull'effetto di questa modifica sull'attività del catalizzatore. Perciò, è facile valutare quali nanoparticelle sono ottimali per una data reazione chimica, " spiega il dottorando Damian Gizinski (IPC PAS).

Nel sistema descritto nella rivista ChemCatChem , i ricercatori hanno aumentato la dimensione delle nanoparticelle del catalizzatore a cinque, nove e 12 nm in maniera controllata. L'effetto di crescita è stato ottenuto lavando il letto di catalizzatore con una soluzione alcolica contenente ioni nichel. Dentro il letto, sono stati depositati sulle nanoparticelle esistenti e ridotti sotto l'influenza dell'idrogeno. La dimensione finale delle nanoparticelle dipende qui dal tempo di esposizione alla soluzione con Ni ²⁺ ioni.

Nella reazione con citrale, le migliori prestazioni catalitiche sono state ottenute con nanoparticelle da 9 nm. I ricercatori hanno anche osservato che fino a 9 nm, la crescita delle nanoparticelle ha favorito il reindirizzamento della reazione verso la produzione di citronella, mentre al di sopra di questo valore si preferiva la via al citronellolo (le differenze derivavano dal fatto che nanoparticelle più piccole favorivano l'idrogenazione selettiva del legame insaturo C=C, mentre quelli più grandi attivavano sia il legame C=C che il legame carbonilico C=O). Questi due composti hanno proprietà leggermente diverse:il citronellale è usato per respingere gli insetti, soprattutto zanzare, e come agente antimicotico; il citronellolo non solo respinge gli insetti ma attira anche gli acari, è anche usato per produrre profumi.

Per le potenziali applicazioni della nuova tecnica, è importante che dopo la modifica, i catalizzatori erano stabili almeno cinque ore in un flusso continuo della soluzione di reazione, sia per la sua attività che per la sua selettività.