Il nuovo approccio dei catalizzatori combina il meglio dei due mondi
Catalisi omogenea ed eterogenea: una sintesi di due principi
Un team del Forschungszentrum Jülich e della RWTH Aachen University ha sviluppato un nuovo approccio per un catalizzatore che combina i vantaggi dei due metodi di catalisi più comunemente utilizzati. Il nuovo approccio catalitico si basa sul metallo iridio e ha raggiunto in laboratorio un'attività cinque volte superiore a quella dei precedenti sistemi di riferimento, mantenendo un'elevata stabilità per diversi giorni. In precedenza era stato considerato difficile ottenere contemporaneamente un'attività elevata e una stabilità a lungo termine. Questi risultati potrebbero contribuire ad aumentare ulteriormente l'efficienza dell'iridio, un materiale catalitico altamente attivo ma costoso, contribuendo così in modo significativo a far progredire l'uso dell'idrogeno verde come soluzione di stoccaggio dell'energia rispettosa del clima. Il team ha pubblicato i risultati sulla rivista EES Catalysis della Royal Society of Chemistry.
Catalizzatori per l'economia dell'idrogeno
L'idrogeno verde svolge un ruolo importante come mezzo di stoccaggio dell'energia nel sistema energetico del futuro che rispetta il clima. Per poterlo utilizzare, l'idrogeno deve essere immagazzinato, trasportato e rilasciato in modo efficiente quando necessario. Una sfida fondamentale è quella di rendere il gas altamente volatile il più facile possibile da usare. Sostanze portanti come l'ammoniaca, il metanolo, l'acido formico e molecole affini sono potenziali soluzioni. I catalizzatori sono necessari per legare l'idrogeno a queste molecole e rilasciarlo nuovamente: accelerano le reazioni necessarie o le rendono possibili ed economicamente vantaggiose.
Catalisi omogenea ed eterogenea: una sintesi di due principi
La novità dell'approccio Jülich-Aachen consiste nel combinare due mondi della catalisi: la catalisi omogenea e quella eterogenea. La catalisi omogenea si verifica quando il catalizzatore e la sostanza che reagisce, detta reagente, si trovano nella stessa fase, ad esempio gassosa o liquida. Nella catalisi eterogenea, il catalizzatore è un solido e il reagente è gassoso o liquido. I vantaggi della catalisi eterogenea sono che il catalizzatore e il reagente possono essere separati in modo pulito e semplice, riducendo i costi. La catalisi omogenea, invece, ha il potenziale di essere più attiva e selettiva perché tutti gli atomi del materiale catalitico possono essere attivi. Inoltre, la struttura e l'ambiente chimico del catalizzatore possono essere adattati con precisione a una reazione specifica. In un solido, invece, gli atomi all'interno della nanoparticella rimangono inattivi, poiché non entrano in contatto con i reagenti.
Normalmente, il team composto dall'Istituto per un'economia sostenibile dell'idrogeno del Forschungszentrum Jülich - Materiali catalitici per lo stoccaggio chimico dell'idrogeno (INW-2) e dalla cattedra di catalisi eterogenea e chimica tecnica dell'Università RWTH di Aquisgrana si concentra principalmente sulla catalisi eterogenea. "Con il nuovo catalizzatore abbiamo cercato di sfruttare gli aspetti migliori dell'altro mondo - nel nostro caso, la catalisi omogenea - per il nostro", spiega la prof.ssa Regina Palkovits, che dirige sia l'INW-2 che la cattedra di Aquisgrana.
Altamente attiva e facilmente separabile
La terpiridina svolge un ruolo centrale: è una molecola che lega fortemente gli atomi di metallo come l'iridio. Per i ricercatori di Jülich e Aachen era fondamentale integrare la struttura della terpiridina, che può legare l'iridio in modo molto stabile, in un polimero. Un polimero è un composto chimico costituito da molti piccoli blocchi ripetuti. Il risultato è un catalizzatore molecolare solido (SMC). "In questo modo, l'iridio può essere separato dal reagente come nella catalisi eterogenea - in questo caso, come componente del polimero di terpiridina", spiega Keanu Birkelbach, autore principale della pubblicazione. "Allo stesso tempo, ogni atomo di iridio nell'SMC forma un centro cataliticamente attivo, come avviene nella catalisi omogenea". Questa combinazione di maggiore attività e migliore separabilità è nuova. L'iridio può essere utilizzato in modo più efficiente e anche recuperato. Dato il suo elevato prezzo di mercato globale, ciò offre un grande potenziale di risparmio. Attualmente l'iridio costa circa il 50% in più dell'oro.
Prossime tappe: scalare e materiali alternativi
Secondo Keanu Birkelbach, le fasi successive potrebbero comprendere l'ampliamento del reattore oltre la scala di laboratorio e la sostituzione del costoso iridio con un metallo cataliticamente attivo più conveniente. Si potrebbero anche testare altre molecole portatrici di idrogeno. In laboratorio, il team di Jülich e Aachen ha utilizzato il catalizzatore di iridio definito molecolarmente per liberare idrogeno dall'acido formico.
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