La selettività dei catalizzatori come un "atto di bilanciamento"
Lo studio suggerisce un cambiamento nel modo in cui i chimici dovrebbero pensare alla catalisi eterogenea
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I ricercatori del Dipartimento di Chimica Inorganica dell'Istituto Fritz Haber hanno rivelato come i cambiamenti strutturali sulla superficie e nella regione di massa del catalizzatore di ossido di cobalto Co3O4 influenzino la sua selettività nella produzione di sostanze chimiche di rilevanza industriale come l'acetone. Hanno scoperto che uno stato metastabile, strutturalmente "intrappolato", presenta la massima attività catalitica - un dato importante per la progettazione dei catalizzatori.
Immagini al microscopio degli esperimenti TEM operando: Cambiamenti della struttura superficiale delle nanoparticelle di catalizzatore osservati al variare della temperatura.
© FHI
La catalisi eterogenea, una pietra miliare dell'industria chimica
Dalla sintesi dell'ammoniaca alla produzione di materie plastiche, la catalisi eterogenea è un processo fondamentale nell'industria chimica. Il catalizzatore è spesso in forma solida, mentre gli altri reagenti sono liquidi o gassosi, il che è ideale per separare i prodotti di reazione alla fine. Per questo motivo, si sta investendo molto nella ricerca per lo sviluppo e il perfezionamento dei catalizzatori eterogenei. Questo studio sottolinea che le scoperte relative ai processi sulla superficie del catalizzatore devono essere prese in considerazione.
Il ruolo della selettività nella catalisi
Il catalizzatore ideale è in grado di promuovere preferenzialmente una reazione specifica e desiderata quando sono possibili più reazioni: è selettivo. Questa proprietà, che può essere controllata attraverso la progettazione dei catalizzatori, è fondamentale per i processi industriali, in quanto migliora la purezza dei prodotti e consente di risparmiare energia, evitando i complicati processi di separazione dei prodotti successivi alla reazione. Tuttavia, spesso non è chiaro cosa determini esattamente la selettività a livello molecolare. Per capirlo, il team di ricerca del nostro istituto utilizza metodi operanti che consentono di osservare i catalizzatori "al lavoro".
Una nuova comprensione dell'ossidazione catalitica
Nel loro recente studio, il team di ricerca fa luce su un importante processo industriale catalizzato in modo eterogeneo in cui la selettività gioca un ruolo importante: l'ossidazione dell'isopropanolo (2-propanolo) ad acetone utilizzando l'ossido di cobalto (Co₃O₄) per la catalisi termica. I ricercatori combinano la spettroscopia a raggi X operando e la microscopia elettronica a trasmissione operando per ottenere una visione più approfondita delle prestazioni del catalizzatore, in particolare di come queste siano influenzate dai processi che avvengono sulla superficie del catalizzatore e al suo interno (la regione del bulk).
In che modo le reazioni superficiali influenzano le prestazioni del catalizzatore?
Il confronto tra le misurazioni dell'attività del catalizzatore in un reattore e le informazioni operative sui cambiamenti strutturali durante l'esercizio del catalizzatore danno origine a due fasi di attività: una al di sotto e una al di sopra dei 200 °C. A temperature più basse, una rete di processi allo stato solido, come la diffusione e la formazione di difetti, distorce la struttura del catalizzatore, che controlla le proprietà catalitiche del Co3O4, mentre a temperature più elevate domina l'ordinamento cristallino.
È interessante notare che la combinazione ideale di attività e selettività si trova a 200 °C, cioè al confine tra le due fasi. Qui, il catalizzatore può essere concepito come intrappolato in una transizione tra due stati energeticamente equivalenti, in cui piccole variazioni delle condizioni possono far passare il sistema da uno stato all'altro. È auspicabile mantenere il catalizzatore in questo stato per ottimizzare le prestazioni. Ciò può essere ottenuto creando condizioni di lavoro ottimali, ma potrebbe anche essere ulteriormente migliorato dalla progettazione del catalizzatore e da un adeguato pretrattamento.
Significato dei risultati
I risultati dello studio mettono in discussione la progettazione convenzionale dei catalizzatori. Lo studio suggerisce che la ricerca di un catalizzatore cristallino "perfetto e stabile" può talvolta essere subottimale. Gli autori dimostrano piuttosto che i cambiamenti strutturali della superficie determinano in modo critico l'attività e la selettività dei catalizzatori di ossidazione. La loro metodologia - che combina spettroscopia operatoria, microscopia e misure di attività - stabilisce un punto di riferimento per lo studio dei catalizzatori in condizioni realistiche, catturando un comportamento dinamico che è invisibile nelle analisi comunemente utilizzate.
Infine, lo studio suggerisce addirittura un cambiamento nel modo in cui i chimici dovrebbero pensare alla catalisi eterogenea: Le superfici dei catalizzatori non dovrebbero più essere percepite solo come statiche, ma come materiali dinamici in cui la ristrutturazione interna, la chimica dei difetti e le transizioni metastabili hanno una grande importanza.
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.
Pubblicazione originale
Thomas Götsch, Daniel Cruz, Patrick Zeller, Anna Rabe, Maik Dreyer, Nicolas Cosanne, Frank Girgsdies, Jasmin Allan, Michael Hävecker, Anna Efimenko, Mihaela Gorgoi, Sharif Najafishirtari, Malte Behrens, Robert Schlögl, Axel Knop-Gericke, Thomas Lunkenbein; "Local solid-state processes adjust the selectivity in catalytic oxidation reactions on cobalt oxides"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-11-18
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