Cina: scoperto nuovo catalizzatore di dimensioni atomiche per la sintesi dell’idrogeno

Un team internazionale guidato da scienziati cinesi ha fatto un passo avanti nella chimica con un nuovo modo di rendere i catalizzatori di dimensioni atomiche più veloci e affidabili in applicazioni che vanno dalla riduzione dell’inquinamento delle automobili all’aumento della produzione di idrogeno, come riportato da SCMP.

Tutti i catalizzatori moderni sono di dimensioni molecolari, ma  l’efficienza della produzione chimica aumenta man mano che l’agente si riduce. Quindi riducendone le dimensioni si ottengono processi catalitici più efficienti. I catalizzatori di dimensioni atomiche, con le loro strutture di elettroni uniche, sono 1-2 ordini di grandezza più efficienti, ma la loro instabilità ha rappresentato un problema.

I catalizzatori atomici utilizzano spesso metalli preziosi come il platino, il rodio e il palladio, che tendono ad aggregarsi durante le reazioni e a perdere slancio. La loro vita utile più breve significa anche che sono più costosi, rendendoli inadatti per le applicazioni commerciali.

I ricercatori cinesi affermano di aver costruito una struttura unica che risolve questi problemi confinando gli atomi di metallo sulla superficie dei materiali di supporto e impedendo loro di formare ammassi che ne limitano l’efficienza. I risultati sono stati pubblicati nell’edizione del 26 ottobre della rivista peer-reviewed Nature.
Il team, guidato da Zeng Jie, professore dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), ha incluso collaboratori della Washington State University, dell’Arizona State University e dell’Università della California, Davis.

Utilizzando l’ossido di cerio, i ricercatori hanno costruito delle “nanoisole” sulla superficie delle particelle di silice, intrappolando gli atomi di metallo reattivi – in questo caso il platino – e trattenendoli uniformemente durante la sintesi chimica.

In effetti, gli atomi di metallo sono tenuti in una serie di isole-prigione, dove sono liberi di muoversi ma non possono fuggire, poiché la silice – che non può competere con il legame tra il metallo e l’ossido di cerio – agisce come un oceano impenetrabile.

I ricercatori hanno dichiarato che il loro approccio ha permesso di posizionare con precisione gli atomi di metallo e di controllarne la concentrazione su ogni “isola”, impedendo loro di formare ammassi più grandi e di causare aggregazioni dannose durante le reazioni. Secondo loro questa struttura permette un’elevata efficienza nelle reazioni che permettono l’estrazione dell’idrogeno dall’acqua, rendendolo molto più disponibile e facile da produrre con l’energia verde. 

In un’intervista rilasciata venerdì al SCMP, Zeng ha dichiarato che il design unico della struttura massimizza l’efficienza di utilizzo del metallo e prolunga la durata di vita del catalizzatore.
“Ma questo richiede idee creative, accumulo di tecnologia di sintesi e l’assistenza di alcuni dei migliori strumenti al mondo”, ha detto. “Abbiamo affrontato una lunga storia di ricerca e utilizzato esperimenti complessi per supportare la progettazione, e abbiamo collaborato con altri illustri ricercatori per rilevare la struttura atomica del catalizzatore“.

Zeng ha dichiarato che il progetto ha fornito uno strumento di progettazione per catalizzatori atomici stabili. “Puntiamo a introdurre questo concetto in altre reazioni chimiche importanti, come il trasferimento acqua-gas o l’ossidazione selettiva del metano“, ha detto.

“Potremmo costruire altri catalizzatori scegliendo supporti, nanoisole e atomi metallici attivi appropriati. Inoltre, potremmo controllare il numero target di atomi su ogni isola, per studiare la reattività o costruire il catalizzatore più efficiente“.

La possibilità di poter ottenere delle reazioni chimiche con livelli di energia bassi è importantissimo per lo sviluppo delle tecnologie del futuro, dalle celle a combustibili all’estrazione dell’idrogeno. Questa nuova tecnologia potrebbe effettivamente aprire un capitolo nuovo per la chimica, sempre che l’industrializzazione del processo abbia successo.