Sostituendo i metalli costosi che abbattono i gas di scarico nei convertitori catalitici con più economici, materiali più efficaci è una priorità assoluta per gli scienziati, per ragioni sia economiche che ambientali. I catalizzatori sono necessari per eseguire reazioni chimiche che altrimenti non avverrebbero, come convertire i gas inquinanti dagli scarichi automobilistici in composti puliti che possono essere rilasciati nell'ambiente. Per migliorarli, i ricercatori hanno bisogno di una comprensione più profonda di come funzionano esattamente i catalizzatori.

Ora un team della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha identificato esattamente quali coppie di atomi in una nanoparticella di palladio e platino, una combinazione comunemente usata nei convertitori, sono le più attive nella scomposizione di quei gas.

Hanno anche risposto a una domanda che ha lasciato perplessi i ricercatori sui catalizzatori:perché le particelle di catalizzatore più grandi a volte funzionano meglio di quelle più piccole, quando ti aspetteresti il ​​contrario? La risposta ha a che fare con il modo in cui le particelle cambiano forma nel corso delle reazioni, creando più di quei siti altamente attivi.

I risultati sono un passo importante verso catalizzatori ingegneristici per migliori prestazioni sia nei processi industriali che nel controllo delle emissioni, ha detto Matteo Cargnello, un assistente professore di ingegneria chimica a Stanford che ha guidato il gruppo di ricerca. Il loro rapporto è stato pubblicato il 17 giugno in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Il risultato più entusiasmante di questo lavoro è stato identificare dove avviene la reazione catalitica, su quali siti atomici è possibile eseguire questa chimica che prende un gas inquinante e lo trasforma in acqua innocua e anidride carbonica, che è incredibilmente importante e incredibilmente difficile da fare, " disse Cargnello. "Ora che sappiamo dove sono i siti attivi, possiamo progettare catalizzatori che funzionano meglio e utilizzano ingredienti meno costosi".

I catalizzatori sono necessari per eseguire reazioni chimiche che altrimenti non avverrebbero, come convertire i gas inquinanti dagli scarichi automobilistici in composti puliti che possono essere rilasciati nell'ambiente. Nel convertitore catalitico di un'auto, nanoparticelle di metalli preziosi come palladio e platino sono attaccate a una superficie ceramica. Man mano che i gas di emissione fluiscono, gli atomi sulla superficie delle nanoparticelle si attaccano alle molecole di gas in transito e le incoraggiano a reagire con l'ossigeno per formare acqua, anidride carbonica e altre sostanze chimiche meno nocive. Una singola particella catalizza miliardi di reazioni prima di esaurirsi.

I convertitori catalitici di oggi sono progettati per funzionare al meglio ad alte temperature, Cargnello ha detto, ecco perché le emissioni di scarico più dannose provengono da veicoli che stanno appena iniziando a scaldarsi. Con più motori progettati per funzionare a temperature più basse, c'è un urgente bisogno di identificare nuovi catalizzatori che funzionino meglio a quelle temperature, così come in navi e camion che difficilmente passeranno al funzionamento elettrico in tempi brevi.

Ma cosa rende un catalizzatore più attivo di un altro? La risposta è stata sfuggente.

In questo studio, il team di ricerca ha esaminato le nanoparticelle catalizzatrici di platino e palladio da due prospettive, teoria ed esperimento, per vedere se potevano identificare strutture atomiche specifiche sulla loro superficie che contribuiscono a una maggiore attività.

Particelle più rotonde con bordi frastagliati

Dal lato della teoria, Lo scienziato dello SLAC Frank Abild-Pedersen e il suo gruppo di ricerca presso il SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis hanno creato un nuovo approccio per modellare come l'esposizione a gas e vapore durante le reazioni chimiche influenzi la forma e la struttura atomica di una nanoparticella catalitica. Questo è computazionalmente molto difficile, Abild-Pedersen ha detto, e studi precedenti avevano ipotizzato che le particelle esistessero nel vuoto e non cambiassero mai.

Il suo gruppo ha creato modi nuovi e più semplici per modellare le particelle in modo più complesso, ambiente realistico. I calcoli dei ricercatori post-dottorato Tej Choksi e Verena Streibel hanno suggerito che man mano che le reazioni procedono, le nanoparticelle ottagonali diventano più rotonde, e il loro appartamento, superfici sfaccettate diventano una serie di piccoli gradini frastagliati.

Creando e testando nanoparticelle di diverse dimensioni, ciascuno con un diverso rapporto tra bordi frastagliati e superfici piatte, il team sperava di capire esattamente quale configurazione strutturale, e anche quali atomi, contribuito maggiormente all'attività catalitica delle particelle.

Un piccolo aiuto dall'acqua

Angelo Yang, un dottorato di ricerca studente del gruppo di Cargnello, ha realizzato nanoparticelle di dimensioni precisamente controllate che contenevano ciascuna una miscela uniformemente distribuita di atomi di palladio e platino. Per fare questo, ha dovuto sviluppare un nuovo metodo per creare le particelle più grandi seminandole attorno a quelle più piccole. Yang ha utilizzato i raggi X della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource di SLAC per confermare la composizione delle nanoparticelle che ha prodotto con l'aiuto di Simon Bare di SLAC e del suo team.

Quindi Yang ha condotto esperimenti in cui sono state utilizzate nanoparticelle di diverse dimensioni per catalizzare una reazione che trasforma il propene, uno degli idrocarburi più comuni presenti nei gas di scarico, in anidride carbonica e acqua.

"L'acqua qui ha svolto un ruolo particolarmente interessante e benefico, " ha detto. "Normalmente avvelena, o si disattiva, catalizzatori. Ma qui l'esposizione all'acqua ha reso le particelle più rotonde e ha aperto siti più attivi".

I risultati hanno confermato che le particelle più grandi erano più attive e che diventavano più rotonde e frastagliate durante le reazioni, come previsto dagli studi computazionali. Le particelle più attive contenevano la proporzione maggiore di una particolare configurazione atomica, quella in cui due atomi, ciascuno circondato da sette atomi vicini, formare coppie per eseguire le fasi di reazione. Sono state queste "7-7 coppie" che hanno permesso alle particelle grandi di funzionare meglio di quelle più piccole.

Andando avanti, Yang ha detto, spera di capire come seminare nanoparticelle con materiali molto più economici per abbatterne i costi e ridurre l'uso di metalli preziosi rari.

Interesse dall'industria

La ricerca è stata finanziata da BASF Corporation, un produttore leader di tecnologia per il controllo delle emissioni, attraverso la California Research Alliance, che coordina la ricerca tra gli scienziati BASF e sette università della costa occidentale, compresa Stanford.

"Questo documento affronta domande fondamentali sui siti attivi, con teoria e prospettive sperimentali che si uniscono in un modo davvero carino per spiegare i fenomeni sperimentali. Questo non è mai stato fatto prima, ed è per questo che è abbastanza significativo, " disse Yuejin Li, uno scienziato principale senior con BASF che ha partecipato allo studio.

"Alla fine, " Egli ha detto, "vogliamo avere un modello teorico in grado di prevedere quale metallo o combinazione di metalli avrà un'attività ancora migliore rispetto al nostro attuale stato dell'arte".