Come mostra ampiamente ogni veicolo da discarica, il ferro tende ad arrugginirsi trasformandosi in ossido di ferro. Ma proprio questa reattività rende anche il ferro e i suoi composti strumenti utili per reinventare le trasformazioni chimiche.

L'abbondante ossido di ferro sfruttato per aiutare i metalli a convertire l'anidride carbonica in prodotti utili ridurrebbe contemporaneamente le emissioni e aggiungerebbe valore ai flussi di rifiuti.

Metodi attuali per preparare catalizzatori di ossido di metallo, i cavalli di battaglia delle trasformazioni chimiche, richiedono temperature e pressioni elevate. Ecco perché i chimici del PNNL sono incoraggiati dai risultati del loro nuovo studio pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

La ricerca descrive una nuova tecnica che produce nanoparticelle metalliche rivestite di ossido di ferro supportate su ossido di ferro solido, in un passo, quasi a temperatura ambiente. Questi materiali mostrano un'elevata attività di conversione dell'anidride carbonica in monossido di carbonio, uno dei componenti di un'importante fonte di combustibile e chimica chiamata syngas.

Catalizzatori inversi come approccio di nuova generazione alla conversione dell'energia

La nuova tecnica capovolge l'approccio tradizionale alla conversione chimica. Mentre la maggior parte dei catalizzatori industriali utilizza l'ossido solo come struttura di supporto, questi catalizzatori di nanoparticelle a base di ossido di ferro sono capovolti o "inversi". Oltre a fornire il supporto, il ferro reattivo viene rilasciato dalla superficie durante la sintesi e si deposita nuovamente sul solido, formando un rivestimento sulle nanoparticelle metalliche.

I catalizzatori inversi non sono usati commercialmente perché sono solitamente difficili da realizzare e da produrre in grandi quantità. Se gli ostacoli tecnici potessero essere superati, che è stato dimostrato possibile in questo studio, i catalizzatori inversi sarebbero strumenti eccellenti per convertire l'anidride carbonica di scarto in materie prime chimiche, le materie prime utilizzate in molti altri processi industriali.

"I nostri risultati forniscono la prova che questi catalizzatori inversi hanno una reattività catalitica convincente in condizioni di reazione blande a causa del rivestimento di ossido di ferro, " ha detto Oliver Gutiérrez, un chimico del PNNL che ha contribuito a guidare il progetto di ricerca. "La tecnica è versatile e facilmente scalabile."

"Vogliamo aggiungere valore all'anidride carbonica per evitare di scaricarla nell'atmosfera, " ha aggiunto. "Se ridimensionato all'industria, questo potrebbe essere applicabile a qualsiasi azienda con rifiuti di anidride carbonica".

Le nanoparticelle decorano la superficie del nuovo catalizzatore

Il nuovo metodo di preparazione sfrutta la reattività intrinseca dell'ossido di ferro per impartire alcune importanti nuove proprietà alle nanoparticelle metalliche sul supporto di ossido metallico.

"Abbiamo osservato gli ioni di ferro che ciclano dall'ossido di ferro di supporto, alla soluzione acquosa, per tornare al solido sulla superficie delle nanoparticelle durante la nostra sintesi, " ha detto Gutiérrez. "Questo è nuovo. Il rivestimento di ossido di ferro è altamente reattivo insieme alla superficie metallica, aumentando notevolmente l'area disponibile per la reazione catalitica."

La chimica del ferro imita ciò che si vede all'interno della Terra

La scoperta illumina anche i processi naturali che fanno girare il ferro, il quarto elemento più abbondante nella crosta terrestre, col tempo.

"L'interfaccia ferro-acqua minerale è importante nella scienza del sottosuolo, " ha detto Kevin Rosso, un geochimico e borsista di laboratorio al PNNL, che ha anche contribuito all'opera. "I due principali stati di ossidazione del ferro si combinano per formare un'interfaccia dinamica, e questo gioca un ruolo importante in entrambe le impostazioni. Ciò che abbiamo scoperto qui nel contesto della catalisi può anche aiutarci a comprendere il trasporto geochimico dei metalli nel sottosuolo».

Potenziale Syngas

Una volta preparato il catalizzatore, gli scienziati hanno condotto esperimenti che hanno dimostrato che il catalizzatore inverso potrebbe convertire efficacemente l'anidride carbonica in monossido di carbonio, un componente del syngas, una materia prima versatile per l'industria chimica.

"Con il rivestimento di ossido, abbiamo fatto sì che l'intera superficie della nanoparticella a base di ferro si comportasse come un'interfaccia, " ha affermato Gutiérrez. "Ciò ha permesso al nostro sistema di ottenere un miglioramento dell'ordine di grandezza nella conversione chimica selettiva in monossido di carbonio rispetto ai catalizzatori a nanoparticelle basati esclusivamente su metalli preziosi".

Ora il team sta cercando di mettere a punto le nanoparticelle metalliche per diverse reazioni e di comprendere meglio la chimica in questa interfaccia di reazione.