Per la prima volta i ricercatori della TU Wien hanno osservato con successo in tempo reale il principio di funzionamento dei cosiddetti "promotori" in una reazione catalitica. Questi promotori svolgono un ruolo importante nella tecnologia, ma finora c'è solo una comprensione limitata di come funzionano.
I catalizzatori sono essenziali per numerose tecnologie chimiche, che vanno dalla purificazione dei gas di scarico alla produzione di preziose sostanze chimiche e vettori energetici. Spesso, insieme ai catalizzatori, vengono utilizzate minuscole tracce di sostanze aggiuntive per renderli altamente efficaci. Queste sostanze sono denominate "promotori". Pur svolgendo un ruolo cruciale nella tecnologia, sono notoriamente difficili da studiare.
Nella maggior parte dei casi, determinare quale quantità di promotori ha quali effetti su un catalizzatore è stato un processo di tentativi ed errori. Tuttavia, i ricercatori della TU Wien sono riusciti a osservare direttamente il ruolo dei promotori del lantanio nell'ossidazione dell'idrogeno.
Utilizzando metodi di microscopia ad alta tecnologia, hanno visualizzato il ruolo dei singoli atomi di La. Il loro studio ha rivelato che due aree superficiali del catalizzatore agiscono come pacemaker, simili ai direttori d’orchestra in un’orchestra. Il promotore svolge un ruolo fondamentale nella loro interazione, controllando i pacemaker. I risultati di questo studio sono stati ora pubblicati sulla rivista Nature Communications .
"Molti processi chimici utilizzano catalizzatori sotto forma di minuscole nanoparticelle", afferma il prof. Günther Rupprechter dell'Istituto di chimica dei materiali della TU Vienna. Sebbene le prestazioni dei catalizzatori possano essere facilmente determinate attraverso l'analisi dei prodotti, seguendo questo approccio non è possibile ottenere approfondimenti microscopici.
Questo è cambiato ora. Nel corso di diversi anni Günther Rupprechter e il suo team hanno sviluppato metodi sofisticati che consentono l'osservazione diretta delle singole nanoparticelle durante una reazione chimica. Ciò consente di vedere come cambia l'attività in diverse posizioni su queste nanoparticelle durante il corso della reazione.
"Utilizziamo nanopunte di rodio che si comportano come nanoparticelle", afferma Günther Rupprechter. "Possono fungere da catalizzatori, ad esempio, quando l'idrogeno e l'ossigeno si combinano per formare molecole d'acqua, la reazione che stiamo esaminando in dettaglio."
Negli ultimi anni, il team della TU Wien ha già dimostrato che diverse regioni delle superfici delle nanoparticelle mostrano comportamenti diversi:oscillano tra uno stato attivo e uno inattivo. A volte, la reazione chimica desiderata avviene in determinati punti, mentre altre volte no.
Utilizzando microscopi dedicati, è stato dimostrato che su ciascuna nanoparticella si verificano diverse oscillazioni di questo tipo in parallelo e che si influenzano a vicenda. Alcune regioni della superficie delle nanoparticelle, spesso larghe solo pochi diametri atomici, svolgono un ruolo più significativo di altre:agiscono come "pacemaker" altamente efficienti, controllando anche le oscillazioni chimiche di altre regioni.
I promotori possono ora interferire nel comportamento di questo pacemaker, ed è proprio ciò che i metodi sviluppati alla TU Wien hanno permesso ai ricercatori di indagare. Quando il rodio viene utilizzato come catalizzatore, il lantanio può fungere da promotore delle reazioni catalitiche. Singoli atomi di lantanio sono stati posizionati sulla minuscola superficie di una nanoparticella di rodio. La stessa particella è stata studiata sia in presenza che in assenza del promotore. Questo approccio ha rivelato in dettaglio l'effetto specifico dei singoli atomi di lantanio sull'andamento della reazione chimica.
Maximilian Raab, Johannes Zeininger e Carla Weigl hanno eseguito gli esperimenti. "La differenza è enorme", dice Maximilian Raab. "Un atomo di lantanio può legare l'ossigeno e questo cambia la dinamica della reazione catalitica." La piccola quantità di lantanio altera l'accoppiamento tra le diverse aree della nanoparticella.
"Il lantanio può disattivare selettivamente alcuni pacemaker", spiega Johannes Zeininger. "Immaginiamo un'orchestra con due direttori:ascolteremmo musica piuttosto complessa. Il promotore assicura che sia rimasto un solo pacemaker, rendendo la situazione più semplice e ordinata."
Oltre alle misurazioni, il team, supportato da Alexander Genest e Yuri Suchorski, ha sviluppato un modello matematico per simulare l'accoppiamento tra le singole aree della nanoparticella. Questo approccio offre un modo più efficace per descrivere la catalisi chimica rispetto a prima:non solo sulla base di input e output, ma in un modello complesso che considera come diverse aree del catalizzatore passano dall'attività all'inattività e, controllate dai promotori, si influenzano reciprocamente .
Ulteriori informazioni: Maximilian Raab et al, Pacemaker a reazione modulata dal lantanio su una singola nanoparticella catalitica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43026-3
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
