Scienza dei Materiali. Singoli atomi usati come catalizzatori: evidenziano effetti sorprendenti. Metalli come l’oro o il platino, sono spesso usati come catalizzatori. Nei convertitori catalitici dei veicoli, ad esempio, le nanoparticelle di platino convertono il monossido di carbonio (tossico) in CO2 (non tossico). Poiché il platino e altri metalli cataliticamente attivi sono costosi e rari, le nanoparticelle coinvolte sono state rese sempre più piccole nel tempo.
<<I catalizzatori “monoatomo” sono il logico punto di arrivo di questo ridimensionamento: Il metallo non è più presente come particelle, ma come singoli atomi che sono ancorati sulla superficie di un materiale di supporto più economico. I singoli atomi non possono più essere descritti usando le regole sviluppate da pezzi di metallo più grandi, quindi le regole usate per predire quali metalli saranno buoni catalizzatori devono essere rinnovate – questo è stato raggiunto alla TU Wien. Come si è scoperto, i catalizzatori a singolo atomo basati su materiali molto più economici potrebbero essere ancora più efficaci>>.
Questi sono i risultati pubblicati sulla rivista Science.
Singoli atomi usati come catalizzatori: meglio il singolo atomo
Solo gli atomi esterni al pezzo di metallo, possono giocare un ruolo nei processi chimici. Dopo tutto, gli atomi all’interno, non entrano mai in contatto con l’ambiente. Per risparmiare materiale, è quindi meglio usare minuscole particelle di metallo invece di grandi masse, in modo che una maggiore proporzione di atomi risieda in superficie. Se andiamo al limite estremo e usiamo singoli atomi, ogni singolo atomo è chimicamente attivo. Nell’ultimo decennio il campo della catalisi “a singolo atomo” è cresciuto enormemente, ottenendo un grande successo.
Modello sbagliato, soluzione giusta
“Le ragioni per cui alcuni metalli preziosi sono buoni catalizzatori sono state studiate già negli anni ’70“, dice il Prof. Gareth Parkinson dell’Istituto di Fisica Applicata della TU Wien. “Per esempio, Gerhard Ertl ha ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 2007 per aver fornito intuizioni su scala atomica sulla catalisi“.
In un pezzo di metallo, un elettrone non può più essere assegnato a un atomo specifico; gli stati elettronici risultano dall’interazione di molti atomi.
“Per i singoli atomi, i vecchi modelli non sono più applicabili” dice Gareth Parkinson. “I singoli atomi non condividono elettroni come un metallo, quindi le bande di elettroni, la cui energia era fondamentale per spiegare la catalisi, semplicemente non esistono in questo caso“.
Gareth Parkinson e il suo team, hanno quindi studiato intensamente negli ultimi anni i meccanismi atomici dietro questa catalisi a singolo atomo.
“In molti casi i metalli che pensiamo come buoni catalizzatori rimangono buoni catalizzatori sotto forma di singoli atomi” aggiunge il ricercatore. “In entrambi i casi sono gli stessi elettroni, i cosiddetti elettroni d, ad esserne responsabili”.
Proprietà personalizzate attraverso superfici su misura
Nella catalisi a singolo atomo sorgono possibilità completamente nuove che non sono disponibili quando si usano particelle metalliche ordinarie:
“A seconda della superficie su cui mettiamo gli atomi di metallo e quali legami atomici formano, possiamo cambiare la reattività degli atomi”, spiega l’autore.
In alcuni casi, metalli particolarmente costosi come il platino non sono più necessariamente la scelta migliore.
“I singoli atomi di nichel mostrano una grande promessa per l’ossidazione del monossido di carbonio. Se capiamo i meccanismi atomici della catalisi a singolo atomo, abbiamo molto più margine di manovra per influenzare i processi chimici”. Rileva Parkinson.
Otto diversi metalli sono stati analizzati con precisione in questo modo alla TU Wien – i risultati si adattano perfettamente ai modelli teorici che sono stati sviluppati in collaborazione con il Prof. Cesare Franchini dell’Università di Vienna.
“I catalizzatori sono molto importanti in molte aree, specialmente quando si tratta di reazioni chimiche che giocano un ruolo importante nei tentativi di sviluppare un’economia di energia rinnovabile”, sottolinea Gareth Parkinson. “Il nostro nuovo approccio dimostra che non deve essere sempre il platino“.
Il fattore decisivo è l’ambiente locale degli atomi; e se lo si sceglie correttamente, si possono sviluppare catalizzatori migliori e allo stesso tempo risparmiare risorse e costi.
Sezione scienza.
