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Gli scienziati hanno creato un nuovo tipo di catalizzatore che porterà a nuovi, modi sostenibili di produrre e utilizzare molecole e proteggere l'approvvigionamento di metalli preziosi.
Un team di ricerca dell'Università di Nottingham ha progettato un nuovo tipo di catalizzatore che combina caratteristiche che in precedenza si pensava si escludessero a vicenda e ha sviluppato un processo per fabbricare nanocluster di metalli su vasta scala.
Nella loro nuova ricerca, pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , dimostrano che il comportamento dei nanocluster di palladio non è conforme alle caratteristiche ortodosse che definiscono i catalizzatori come omogenei o eterogenei.
Tradizionalmente, i catalizzatori si dividono in omogenei, quando i centri catalitici sono intimamente mescolati con molecole reagenti, ed eterogeneo, dove avvengono le reazioni sulla superficie di un catalizzatore. Generalmente, i chimici devono scendere a compromessi quando scelgono un tipo o un altro, poiché i catalizzatori omogenei sono più selettivi e attivi, e i catalizzatori eterogenei sono più durevoli e riutilizzabili. Però, i nanocluster di atomi di palladio sembrano sfidare le categorie tradizionali, come dimostrato studiando il loro comportamento catalitico nella reazione di ciclopropanazione dello stirene.
I catalizzatori consentono quasi l'80% dei processi chimici industriali che forniscono gli ingredienti più vitali della nostra economia, dai materiali (come i polimeri) e i prodotti farmaceutici fino ai prodotti agrochimici, compresi i fertilizzanti e la protezione delle colture. L'elevata domanda di catalizzatori significa che le forniture globali di molti metalli utili, compreso l'oro, platino e palladio, si esauriscono rapidamente. La sfida consiste nell'utilizzare ogni singolo atomo al suo massimo potenziale. Lo sfruttamento dei metalli sotto forma di nanocluster è una delle strategie più potenti per aumentare la superficie attiva disponibile per la catalisi. Inoltre, quando le dimensioni dei nanocluster sfondano la scala nanometrica, le proprietà del metallo possono cambiare drasticamente, portando a nuovi fenomeni altrimenti inaccessibili alla macroscala.
Il team di ricerca ha utilizzato tecniche analitiche e di imaging per sondare la struttura, dinamica, e proprietà chimiche dei nanocluster, per rivelare il funzionamento interno di questo insolito catalizzatore a livello atomico.
La scoperta del team è la chiave per sbloccare il pieno potenziale della catalisi in chimica, portando a nuovi modi di produrre e utilizzare le molecole nei modi più efficienti in termini di atomi e resilienti dal punto di vista energetico.
La ricerca è stata guidata dal Dr. Jesum Alves Fernandes, Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow della School of Chemistry, ha detto:"Usiamo il modo più diretto per creare nanocluster, semplicemente espellendo gli atomi dal metallo sfuso mediante un raggio di ioni veloci di argon, un metodo chiamato polverizzazione del magnetron. Generalmente, questo metodo viene utilizzato per realizzare rivestimenti o pellicole, ma l'abbiamo messo a punto per produrre nanocluster metallici che possono essere depositati su quasi tutte le superfici. È importante sottolineare che la dimensione del nanocluster può essere controllata con precisione da parametri sperimentali, dal singolo atomo a pochi nanometri, in modo che una serie di nanocluster uniformi possa essere generata su richiesta in pochi secondi."
Dott. Andreas Weilhard, un ricercatore postdoc di Green Chemicals Beacon nel team ha aggiunto:"Le superfici dei cluster di metallo prodotte con questo metodo sono completamente 'nude', e quindi altamente attivo e accessibile per le reazioni chimiche che portano a un'elevata attività catalitica."
Professor Peter Licenza, direttore del laboratorio GSK Carbon Neutral presso l'Università di Nottingham ha aggiunto:"Questo metodo di fabbricazione del catalizzatore è importante non solo perché consente l'uso più economico di metalli rari, ma lo fa nel modo più pulito, senza bisogno di solventi o reagenti chimici, generando così livelli molto bassi di rifiuti, che è un fattore sempre più importante per le tecnologie chimiche verdi."
L'Università è pronta a intraprendere un progetto su larga scala per espandere questo lavoro con una ricerca che porterà alla protezione degli elementi in pericolo.
Professor Andrei Khlobystov, ricercatore principale del MASI, ha dichiarato:"Il nostro progetto è destinato a rivoluzionare il modo in cui i metalli vengono utilizzati in un'ampia gamma di tecnologie, e per spezzare la nostra dipendenza da elementi in pericolo critico. Nello specifico, MASI farà progressi in:la riduzione dell'anidride carbonica (CO 2 ) emissioni e loro valorizzazione in sostanze chimiche utili; la produzione di ammoniaca 'verde' (NH 3 ) come combustibile alternativo a emissioni zero e nuovo vettore per lo stoccaggio dell'idrogeno; e la fornitura di celle a combustibile e tecnologie di elettrolisi più sostenibili."
I nanocluster metallici vengono attivati per reazioni con molecole, che può essere guidato dal calore, luce o potenziale elettrico, mentre le interazioni sintonizzabili con i materiali di supporto forniscono durata e riutilizzabilità dei catalizzatori. In particolare, I catalizzatori MASI verranno applicati per l'attivazione di molecole difficili da rompere (es 2 , h 2 e CO 2 ) nelle reazioni che costituiscono la spina dorsale dell'industria chimica, come il processo Haber-Bosch.
