Una mappa per i catalizzatori a singolo atomo
La conoscenza precisa degli ambienti atomici può aiutare a produrre catalizzatori a singolo atomo più uniformi e quindi più efficaci
Utilizzando la risonanza magnetica nucleare, i ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno studiato gli ambienti atomici dei singoli atomi di platino nei supporti solidi e il loro orientamento spaziale. In futuro, questo metodo potrà essere utilizzato per ottimizzare la produzione di catalizzatori a singolo atomo.
La catalisi - l'accelerazione di una reazione chimica mediante l'aggiunta di una particolare sostanza - è estremamente importante nell'industria e nella vita quotidiana. Circa l'80% di tutti i prodotti chimici viene prodotto con l'aiuto della catalisi e anche tecnologie come i catalizzatori di scarico o le celle a combustibile si basano su questo principio. Un catalizzatore particolarmente efficace e versatile è il platino. Tuttavia, poiché il platino è un metallo prezioso molto raro e costoso, la cui produzione provoca molte emissioni diCO2, è importante utilizzarne il meno possibile, massimizzandone l'efficienza.
Catalizzatori con singoli atomi
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno cercato di sviluppare i cosiddetti catalizzatori a singolo atomo, in cui ogni atomo contribuisce alla reazione chimica. Questi catalizzatori sono realizzati depositando singoli atomi di platino sulla superficie di un materiale ospite poroso, ad esempio carbonio drogato con atomi di azoto. Gli atomi di azoto fungono da punti di ancoraggio a cui gli atomi di platino possono aggrapparsi.
Un team di ricercatori guidato da Javier Pérez-Ramírez e Christophe Copéret del Dipartimento di Chimica e Scienze della Vita Applicate del Politecnico di Zurigo, insieme a colleghi delle Università di Lione e Aarhus, ha ora dimostrato che questi catalizzatori a singolo atomo sono più complessi di quanto si pensasse. Utilizzando la risonanza magnetica nucleare, sono riusciti a dimostrare che i singoli atomi di platino in un catalizzatore di questo tipo possono avere ambienti atomici molto diversi, che influenzano la loro azione catalitica. In futuro, questa scoperta permetterà di sviluppare materiali catalitici più efficienti. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Nature.
Incontri casuali portano alla scoperta
"Finora i singoli atomi di platino potevano essere osservati solo attraverso la 'lente' di un microscopio elettronico, il che è impressionante ma non ci dice molto sulle loro proprietà catalitiche", spiega Pérez-Ramírez. Insieme a Copéret ha pensato a come caratterizzare con maggiore precisione i singoli atomi di platino. La collaborazione è iniziata con un incontro casuale nell'ambito del programma NCCR Catalysis.
Dopo l'incontro, i due ricercatori hanno sviluppato l'idea di provare la risonanza magnetica nucleare. Con questo metodo, su cui si basa la risonanza magnetica in ospedale e che viene tipicamente utilizzato per studiare le molecole in laboratorio, gli spin dei nuclei atomici in un forte campo magnetico statico reagiscono a campi magnetici oscillanti di una certa frequenza di risonanza. Nelle molecole, questa frequenza di risonanza dipende dalla disposizione dei diversi atomi all'interno della molecola. "Allo stesso modo, le frequenze di risonanza dei singoli atomi di platino sono influenzate dai loro vicini atomici - ad esempio carbonio, azoto o ossigeno - e dal loro orientamento rispetto al campo magnetico statico", spiega Copéret.
Questo porta a molte frequenze di risonanza diverse, proprio come i diversi toni di un'orchestra. Scoprire quale strumento sta producendo un particolare tono non è facile. "La fortuna ha voluto che durante una visita a Lione uno di noi incontrasse un esperto di simulazione di Aarhus che si trovava lì nello stesso periodo", racconta Copéret. Questi incontri, e le collaborazioni che ne derivano, sono essenziali per il progresso scientifico, aggiunge. Insieme al collaboratore dell'ETH, l'esperto di simulazione ha sviluppato un codice informatico che ha permesso di filtrare le diverse "tonalità" dei singoli atomi di platino dalla confusione.
Mappare l'ambiente atomico
In definitiva, ciò ha portato a una svolta nella descrizione dei catalizzatori a singolo atomo: il team di ricerca è stato in grado di compilare una sorta di mappa che mostra il tipo e la posizione degli atomi che circondano gli atomi di platino. "Questo metodo analitico stabilisce un nuovo punto di riferimento nel settore", afferma Pérez-Ramírez.
Grazie a questo metodo, ampiamente accessibile, i protocolli di produzione dei catalizzatori a singolo atomo possono essere ottimizzati in modo tale che tutti gli atomi di platino abbiano ambienti su misura. Questa è la prossima sfida per il team. "Il nostro metodo è importante anche dal punto di vista della proprietà intellettuale", afferma Copéret: "Essere in grado di descrivere con precisione i catalizzatori a livello atomico ci permette di proteggerli attraverso i brevetti".
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Pubblicazione originale
Jonas Koppe, Alexander V. Yakimov, Domenico Gioffrè, Marc-Eduard Usteri, Thomas Vosegaard, Guido Pintacuda, Anne Lesage, Andrew J. Pell, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez, Christophe Copéret; "Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures"; Nature, Volume 642, 2025-6-4
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