Osservare le nanoparticelle catalitiche al lavoro
Metallo e ossido: un successo solo in combinazione
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Cosa succede esattamente quando si produce syngas? Nuovi metodi permettono di osservare il processo in tempo reale. Questo ha risposto alla domanda su come funzionano i catalizzatori in dettaglio.
Immagini a risoluzione atomica delle strutture e delle interfacce di PdO (rosso) e Pd (blu), con una corrispondente illustrazione della superficie del catalizzatore (a destra) e del microreattore al microscopio elettronico (a sinistra).
TU Wien
Per molte applicazioni industriali è necessario il gas di sintesi, noto anche come "Syngas", una miscela di idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO). Oltre al metodo di produzione consolidato tramite steam reforming, il gas di sintesi può essere prodotto in alternativa - e in modo ancora più efficiente dal punto di vista energetico - da metano (CH₄) e ossigeno. Tuttavia, in questo processo è necessario evitare l'ossidazione totale (combustione) del metano aCO2 eH2O, motivo per cui la ricerca sulla produzione di syngas è molto intensa in tutto il mondo.
A questo scopo vengono utilizzati catalizzatori contenenti elementi come il palladio. Finora, tuttavia, non era chiaro come avvenisse esattamente la conversione del metano in syngas sulle superfici di palladio. Grazie a una collaborazione tra la TU Wien e l'Università Nazionale di Singapore (NUS), è stato ora possibile osservare il processo utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione - la cosiddetta TEM operando - combinata con simulazioni computazionali. I risultati mostrano che la reazione richiede una sinergia tra diverse regioni del catalizzatore.
Palladio e ossido di palladio
"Il metano è il componente principale del gas naturale. Oggi non lo usiamo solo per il riscaldamento, il che è problematico per motivi di riscaldamento globale, ma anche come materia prima per la produzione di prodotti chimici e carburanti", afferma il Prof. Günther Rupprechter dell'Istituto di Chimica dei Materiali della TU Wien. "Anche in futuro, il metano svolgerà quindi un ruolo nella generazione di syngas e probabilmente non potrà essere completamente sostituito entro il prossimo decennio".
Per questo motivo oggi si sta svolgendo un'intensa attività di ricerca per trovare nuovi processi che consentano di produrre syngas dal metano in modo più efficiente evitando la sovra-ossidazione, cioè la combustione in CO₂ e acqua. Questo processo è chiamato "ossidazione parziale del metano" (POM). "Negli ultimi anni abbiamo studiato la POM su vari catalizzatori, la maggior parte dei quali a base di nichel", spiega Rupprechter.
Un microreattore al microscopio elettronico
Era già noto che i catalizzatori costituiti da nanoparticelle metalliche funzionano bene. Ma la questione aperta era cosa succede esattamente alle singole nanoparticelle metalliche durante la reazione catalitica. "In particolare, volevamo sapere: se la reazione avviene con nanoparticelle di palladio, è il palladio stesso responsabile della catalisi o l'ossido di palladio che si forma durante la reazione?".
Questa domanda è stata affrontata per la prima volta grazie a una combinazione di approcci avanzati: Il team ha osservato le nanoparticelle in tempo reale durante la reazione catalitica utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione. Allo stesso tempo, è stata utilizzata la spettrometria di massa per monitorare quali prodotti si formano in quale momento e tutto questo è stato integrato da simulazioni al computer. Questa combinazione ha permesso, per la prima volta, di ottenere un quadro meccanicistico più preciso del processo.
Come funziona il catalizzatore?
Alexander Genest del team della TU Wien, che in precedenza era affiliato all'A*STAR High Performance Computing Centre di Singapore, ha mantenuto viva la collaborazione tra la TU Wien e Singapore nel corso degli anni. "Utilizzando la modellazione computazionale, avevamo già studiato l'ossidazione delle nanoparticelle di Pd e l'ossidazione del CO, per cui l'estensione all'ossidazione del metano era un obiettivo molto promettente", afferma Alexander Genest.
Insieme al dottorando Parinya (Lewis) Tangpakonsab, ha effettuato simulazioni basate sulla teoria funzionale della densità (DFT) per studiare l'attivazione del metano e le successive fasi di reazione. "Volevamo capire l'origine dell'ossidazione parziale e totale e chiarire esattamente cosa succede a livello atomico", spiega Tangpakonsab.
Metallo e ossido: un successo solo in combinazione
Il risultato è stato più complesso del previsto: né il metallo né l'ossido metallico da soli sono responsabili della catalisi; le prestazioni migliori si ottengono lavorando insieme. "Le due fasi assumono compiti diversi", spiega Günther Rupprechter. "Il palladio deidrata il metano in carbonio e idrogeno, mentre l'ossido di palladio ossida il carbonio in CO". Ciò significa che la catalisi più efficiente può avvenire esclusivamente nelle regioni di confine tra palladio e ossido di palladio.
Il nostro gruppo è già stato molto attivo in passato nella microscopia elettronica delle reazioni di ossidazione superficiale, ma questo nuovo studio operando-TEM estende questo lavoro alle condizioni industriali". Con il supporto del Cluster of Excellence del MECS, presto avremo a disposizione anche speciali celle reattore presso la TU Wien per un analogo esame operando-TEM", afferma Günther Rupprechter, direttore di ricerca del MECS.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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