Usare i singoli atomi per ottenere una chimica priva di fossili
I chimici hanno raggiunto una svolta nella ricerca sulla catalisi a più livelli
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Il metanolo è un materiale di partenza fondamentale per i prodotti chimici. I ricercatori del Politecnico di Zurigo sono ora in grado di produrre questo precursore daCO2 e idrogeno con un'elevata efficienza utilizzando atomi di metallo isolati come catalizzatori.
Ogni reazione chimica si scontra con una barriera: perché le sostanze reagiscano tra loro, è necessario prima fornire energia. In molti casi, questa barriera energetica è bassa, come quando si accende un fiammifero. Per molte reazioni chiave nell'industria, invece, è molto più grande e l'aumento dei requisiti energetici fa lievitare i costi di produzione. Per abbassare questa barriera, i chimici utilizzano degli "aiutanti di reazione", noti come catalizzatori. Le migliori sostanze di questo tipo contengono metalli, tra cui, in alcuni casi, metalli rari.
Migliori, più efficienti e senza lasciare nulla al caso
Ora, i chimici del Politecnico di Zurigo hanno raggiunto una svolta nella ricerca sulla catalisi a più livelli:
- Hanno sviluppato un catalizzatore che abbassa significativamente la barriera energetica per la produzione di metanolo - un alcol - dal gas serraCO2 e dall'idrogeno.
- Nel loro catalizzatore, i ricercatori utilizzano il metallo indio in modo estremamente efficiente, nel senso che ogni singolo atomo di indio si comporta come un sito attivo.
- In passato, la ricerca sulla catalisi seguiva spesso un approccio "hit or miss". Il catalizzatore appena scoperto consente un'analisi più precisa dei meccanismi che avvengono sulla sua superficie, aprendo la strada alla progettazione razionale dei catalizzatori.
Il coltellino svizzero della chimica verde
"Il metanolo è un precursore universale per la produzione di un'ampia gamma di prodotti chimici e materiali, come le materie plastiche - il coltellino svizzero della chimica, per così dire", afferma Javier Pérez-Ramírez, professore di ingegneria della catalisi al Politecnico di Zurigo. Il liquido svolge quindi un ruolo fondamentale nella transizione verso una produzione sostenibile e priva di fossili di prodotti chimici e combustibili.
Se l'energia utilizzata per produrre l'idrogeno e per la catalisi è generata in modo sostenibile, il metanolo può essere prodotto in modo neutrale dal punto di vista climatico. In questo modo è possibile utilizzare laCO2 presente nell'atmosfera come materia prima, anziché rilasciarla come avviene oggi.
Massimo utilizzo dei metalli
"Il nostro nuovo catalizzatore ha un'architettura a singolo atomo, in cui atomi di metallo attivo isolati sono ancorati sulla superficie di un materiale di supporto appositamente sviluppato", spiega Pérez-Ramírez. Nei catalizzatori convenzionali, invece, i metalli sono solitamente presenti come aggregati, in genere piccole particelle. Sebbene queste particelle siano minuscole, spesso contengono da un centinaio a diverse migliaia di atomi di metallo.
Non c'è da stupirsi che i catalizzatori a singolo atomo siano attualmente un tema caldo nella ricerca sulla catalisi. Rappresentano l'apice dell'efficienza per quanto riguarda l'uso di elementi chimici costosi e scarsi. Se i metalli vengono utilizzati come singoli atomi, è possibile persino utilizzare metalli preziosi in modo economicamente vantaggioso.
Se gli atomi possono lavorare in modo isolato, anche le loro proprietà catalitiche cambiano spesso. "L'indio è già stato utilizzato in questo catalizzatore per oltre un decennio", afferma Pérez-Ramírez. "Nel nostro studio, dimostriamo che gli atomi di indio isolati sull'ossido di afnio consentono una sintesi di metanoloa base di CO2 più efficiente rispetto all'indio sotto forma di nanoparticelle contenenti un gran numero di atomi".
Singoli atomi al posto giusto
Per ancorare singoli atomi di indio alla superficie dell'ossido di afnio in modo mirato, il team interdisciplinare dell'ETH ha sviluppato diversi percorsi sintetici in collaborazione con colleghi di altri istituti di ricerca. Una parte fondamentale di questo sviluppo è stata la struttura specifica del materiale di supporto, che fornisce agli atomi un ambiente stabile e, allo stesso tempo, reattivo.
In un processo di produzione testato, i materiali di partenza vengono bruciati in una fiamma a 2.000-3.000°C e poi raffreddati rapidamente. In queste condizioni, l'indio tende a rimanere sulla superficie, dove viene incorporato in modo stabile.
Con l'incorporazione degli atomi di catalizzatore in un supporto di ossido di afnio resistente al calore, i chimici dell'ETH dimostrano che i catalizzatori a singolo atomo possono rimanere stabili anche in condizioni estreme. Anche le reazioni che richiedono temperature e pressioni elevate sono quindi a portata di mano. Ad esempio, la sintesi del metanolo daCO2 e idrogeno gassoso richiede temperature fino a 300°C e pressioni fino a 50 volte la normale pressione atmosferica.
Interazione tra metallo catalizzatore e matrice
Inoltre, le nanoparticelle esistenti utilizzate per l'analisi erano una scatola nera. Mentre i processi catalitici avvenivano solo a livello di un piccolo numero di atomi sulla superficie, molti segnali di misura provenivano dall'interno delle particelle, da atomi che non erano nemmeno coinvolti nella reazione. Questo rendeva più difficile l'interpretazione. Nei catalizzatori con atomi isolati, invece, i meccanismi di reazione possono essere analizzati con molti meno segnali di interferenza.
Dal 2010 Pérez-Ramírez non solo ricerca catalizzatori migliori per la produzione di metanolo dallaCO2 all'ETH, ma lavora anche a stretto contatto con l'industria e detiene diversi brevetti in questo settore. Un fattore chiave nello sviluppo del nuovo metodo di catalisi a singolo atomo è stata la grande rete emersa negli ultimi anni in Svizzera in termini di ricerca sulla catalisi, afferma Pérez-Ramírez: "Lo sviluppo del catalizzatore del metanolo e l'analisi dettagliata del meccanismo non sarebbero stati possibili senza questa competenza interdisciplinare".
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
Yung-Tai Chiang, Milica Ritopecki, Patrik O. Willi, Katja Raue, Jordi Morales-Vidal, Tangsheng Zou, Mikhail Agrachev, Henrik Eliasson, Jianyang Wang, Rolf Erni, Wendelin J. Stark, Gunnar Jeschke, Robert N. Grass, Núria López, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez; "Single atoms of indium on hafnia enable superior CO2-based methanol synthesis"; Nature Nanotechnology, 2026-3-2
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