I catalizzatori a matrice solida detti catalizzatori eterogenei sono tra le applicazioni industriali più diffuse nella riduzione dei gas tossici, combustibile incombusto, e particolato nel flusso di scarico dalla camera di combustione. Sono utilizzati anche in campo energetico, chimico, e farmaceutico, cioè., produzione di biodiesel, polimeri, conversione di biomassa/rifiuti in prodotti di valore, e molti altri processi. Tutto grazie ai loro siti attivi e all'elevata superficie. Tuttavia, la loro elevata efficienza è limitata dal prezzo astronomico dei metalli nobili, Così, sostituti economici con un'efficacia comparabile sembrano essere un santo graal per l'industria. Un recente documento presentato da scienziati dell'Istituto di chimica fisica, Accademia polacca delle scienze guidata dal dott. ing. Izabela S. Pieta affronta la sfida di presentare un nuovo composito bimetallico nanostrutturale per la catalisi.

C come catalisi

I catalizzatori sono ovunque e hanno un enorme impatto sui processi chimici. Ci circondano anche in natura; Per esempio, le cellule richiedono catalizzatori naturali come gli enzimi per molteplici processi biochimici. Lo stesso accade nel campo della conversione energetica, dove i catalizzatori solidi perseguono processi tecnologici. Secondo i motori a combustione, metalli nobili come il platino sono posti sui fumi che fuoriescono dalla camera di combustione. Una volta che i gas tossici toccano la superficie dei catalizzatori, si decompongono, conferendo ai prodotti finali CO ₂ e H ₂ O. Il segreto sta nei siti attivi sul materiale che influenzano l'energia di adsorbimento degli intermedi di reazione e l'attivazione degli stati di transizione. Il meccanismo finale di rottura del legame porta alla formazione di particolari molecole. Rende i metalli nobili rock star nelle applicazioni industriali.

Negli ultimi decenni, l'applicazione dei catalizzatori è cresciuta enormemente, raggiungere un punto critico per gli alti costi dei metalli preziosi necessari per il carburante, farmaceutica, e produzione di composti chimici. Così, la catalisi economica ad alta efficienza è diventata una delle principali sfide per il progresso futuro in molte tecnologie industriali. Di sicuro, è quasi impossibile fornire un materiale per soddisfare tutti i requisiti industriali. Possiamo sicuramente migliorare molto l'attività del catalizzatore e persino la durata mediante modifiche chimiche delle superfici attive per il dato processo, mentre partiamo dall'inizio:la dimensione del catalizzatore. I nanomateriali offrono un elevato rapporto superficie-volume che ne aumenta l'attività. Nel caso dei metalli nobili, il mantenimento delle dimensioni nanometriche rende questi materiali altamente attivi, fornendo un forte legame dei reagenti e selettività dei catalizzatori.

Nuovi catalizzatori all'orizzonte

Recentemente, scienziati dell'Istituto di Chimica Fisica guidati dal dott. Izabela S. Pieta ha descritto catalizzatori bimetallici nanostrutturali immobilizzati sulla superficie semiconduttiva per la loro potenziale applicazione in ambienti termici, foto-, ed elettrocatalisi. Questi sistemi sono già stati segnalati per dare risultati straordinari nei processi dedicati alle celle a combustibile, cioè., elettroossidazione del metanolo e dell'etanolo (I.S.Pieta et al. Catalisi applicata B:ambientale , 2019, 244), prodotti chimici verdi sostenibili, e la produzione di combustibili (I.S.Pieta et al. Catalisi applicata B:ambientale , 2019, 244, e ACS Chimica e Ingegneria Sostenibili, 2020, 8(18), e anche la riduzione dell'anidride carbonica verso combustibili gassosi e liquidi (I.S.Pieta et al. Materiale avanzato Interfacce, 2021, 2001822). Diamo un'occhiata più da vicino a loro.

Nelle nanostrutture bimetalliche, due metalli, per esempio., Pt-Au, sono uniti, dove il metallo primario lavora come ospite, e il secondo è un ospite. In altre parole, è una lega, mentre su scala nanometrica, la distribuzione di particolari atomi nelle particelle ha un significato enorme.

interessante, le strutture bimetalliche presentano una maggiore attività catalitica rispetto alle controparti monometalliche. La loro unione può differire da una miscela di due metalli diversi dove il secondo è distribuito abbastanza regolarmente nella matrice del primo o da una struttura nucleo-guscio dove il primo metallo è ricoperto dal secondo. Un'altra opzione sono le nanostrutture che hanno due metà chimicamente diverse (chiamate nanoparticelle di Janus) o che collegano due nanoparticelle chimicamente diverse. Sfortunatamente, queste combinazioni di due metalli diversi possono subire continui cambiamenti su così piccola scala a causa della riorganizzazione atomica.

La composizione e la disposizione atomica nelle strutture bimetalliche determinano le loro prestazioni catalitiche. I nanomateriali possono facilmente agglomerarsi o modificare la struttura superficiale a causa della loro elevata attività superficiale, riducendo la loro efficacia catalitica. Inoltre, la loro superficie può essere facilmente avvelenata dai semiprodotti di reazioni chimiche, quindi è difficile prevedere i cambiamenti che avvengono sulle superfici bimetalliche che influenzano l'attività del materiale.

Allora perché non iniziare dall'inizio e creare una piattaforma che stabilizzi queste nanostrutture? Una volta sistemato, le nanoparticelle sarebbero meno suscettibili ai cambiamenti di superficie. I ricercatori hanno proposto di stabilizzare le nanoparticelle bimetalliche sul materiale elettricamente conduttore come il carbonio o il nitruro di carbonio. Quindi, la sua superficie è stata modificata con materiale polimerico a base di nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4) costituito da subunità di molecole di triazina fuse in triangoli piatti simili al foglio di grafene. La superficie del sistema bimetallico è stata studiata nell'ambito di diverse tecniche spettroscopiche.

"Lo sviluppo e l'ottimizzazione di nanocatalizzatori bimetallici potrebbe fornire una nuova classe di materiali con caratteristiche superiori, prestazioni sintonizzabili, stabilità termica, e costi ridotti rispetto ai catalizzatori commerciali attualmente disponibili. Anticipiamo che grazie alle proprietà uniche del materiale di supporto, cioè., nitruro di carbonio grafitico, questi catalizzatori possono trovare una potenziale applicazione in -termico/-elettro/ e -fotocatalisi. Però, prima che ciò accada, bisogna capire come progettare il sistema bimetallico efficiente, come funziona questo sistema in condizioni operative, e perché la relazione forma-struttura-attività è importante, " sostiene Izabela S.Pieta.

g-C3N4 ha una ricca struttura di eteroatomi che rivela proprietà catalitiche. Grazie alla presenza di più gruppi funzionali, può facilmente ospitare sulla sua superficie sistemi bimetallici come il nobile Pt-Au Pt-Pd, o nanoparticelle di Cu-Ni a base di metalli di transizione. È stato considerato un materiale di supporto promettente che stabilizza le nanoparticelle bimetalliche e inibisce il loro avvelenamento con sostanze chimiche. Inoltre, offre un'enorme opportunità per la raccolta e la conversione dell'energia solare in un prodotto prezioso o in un'altra forma di energia.

"Ispirato dalla natura, l'umanità ha imparato che la luce solare è una delle fonti di energia più potenti sulla Terra. L'effettiva conversione della luce in una forma utilizzabile di energia è principalmente limitata a causa della separazione di carica non efficiente e della scarsa architettura dei catalizzatori per la raccolta della luce. I prerequisiti per un'ampia raccolta spettrale e un allineamento favorevole del livello di energia per il processo innescato dalla luce previsto dovrebbero essere accoppiati con la separazione e la raccolta rapida della carica, competere con successo con la ricombinazione di carica fotogenerata. Il problema sopra menzionato potrebbe essere superato dalla corretta selezione dei componenti fotoattivi e dall'adeguata ingegnerizzazione dei fotoreattori. La combinazione delle proprietà del materiale e della tecnologia microfluidica è una soluzione perfetta che integra più componenti e fornisce una soluzione semplice per il processo catalitico continuo a liquido-liquido dinamico, solido-liquido, o interfacce gas-solido-liquido, " afferma la prima autrice la dott.ssa Ewelina Kuna.

L'immobilizzazione protegge dai cambiamenti superficiali e dall'agglomerazione di nanoparticelle e consente un'applicazione scalabile su un'ampia superficie.

Osservazioni dott. Isabella Pietà, "I sistemi catalitici bimetallici sono noti per fornire attività catalitiche più elevate, e hanno permesso di raggiungere efficienze molto elevate in molti processi. Siamo ancora concentrati su sistemi più complessi in cui la composizione del catalizzatore e la disposizione della struttura possono comportare una maggiore attività ma una maggiore selettività verso prodotti mirati e una migliore stabilità del catalizzatore verso l'avvelenamento, durata, e vita. La nostra ricerca copre una comprensione fondamentale delle superfici catalitiche e dello sviluppo del meccanismo di reazione in condizioni non isolate. Questa conoscenza si tradurrà sicuramente in un design innovativo del catalizzatore, sia su scala molecolare (progettazione dell'architettura del sito attivo) che su scala applicativa (scala del reattore industriale) adattando più siti attivi catalitici e la loro distribuzione sulle superfici di lavoro."

Le nanoparticelle bimetalliche incorporate nella superficie del carbonio modificato g-C3N4 sembrano essere una piattaforma universale nella catalisi, portare luce brillante nei processi che necessitano di nuove soluzioni nanostrutturali. Grazie a tali studi focalizzati sulla relazione forma e struttura-attività nei sistemi bimetallici e la sua immobilizzazione nella matrice scalabile ed economica, siamo un passo più vicini ai progetti di catalizzatori innovativi e sostenibili per l'industria.