Il modello, sviluppato dagli ingegneri chimici dell’Università del Wisconsin-Madison, potrebbe potenzialmente far risparmiare energia, ottenere processi industriali più ecologici e catalizzatori più efficienti dal punto di vista energetico
Gli ingegneri chimici dell’Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato un modello di funzionamento delle reazioni catalitiche su scala atomica. Ad annunciarlo è stata proprio l’Università del Wisconsin-Madison. Il modello dovrebbe essere un progresso considerato un passo avanti nella ricerca chimica computazionale. La comprensione potrebbe consentire a ingegneri e chimici di sviluppare catalizzatori più efficienti e di mettere a punto i processi industriali, potenzialmente con enormi risparmi energetici, dato che il 90% dei prodotti che incontriamo nella nostra vita sono prodotti, almeno in parte, attraverso la catalisi. Il team ha pubblicato la notizia del loro progresso sulla rivista Science.
I MATERIALI CATALITICI E LA SVOLTA ATOMICA
I materiali catalitici – riporta Reuters – accelerano le reazioni chimiche senza subire essi stessi cambiamenti. Sono fondamentali per la raffinazione dei prodotti petroliferi e per la produzione di prodotti farmaceutici, plastiche, additivi alimentari, fertilizzanti, carburanti verdi, prodotti chimici industriali e molto altro. Due brevi filmati sono disponibili in un file zip a questo link della pagina Science abstract.
Scienziati e ingegneri hanno trascorso decenni a mettere a punto le reazioni catalitiche; tuttavia, poiché attualmente non è possibile osservare direttamente tali reazioni alle temperature e alle pressioni estreme spesso coinvolte nella catalisi su scala industriale, non si sa esattamente cosa avvenga su scala nanometrica e atomica. Questa nuova ricerca aiuta a svelare questo mistero, con potenziali importanti ramificazioni per l’industria.
In effetti, solo tre reazioni catalitiche – il reforming del metano a vapore per produrre idrogeno, la sintesi dell’ammoniaca per produrre fertilizzanti e la sintesi del metanolo – utilizzano quasi il 10% dell’energia mondiale.
IL MODELLO DELL’UNIVERSITA’ DEL WISCONSIN-MADISON
Mavrikakis e i ricercatori post-dottorato Lang Xu e Konstantinos G. Papanikolaou, insieme alla studentessa Lisa Je, – sceondo quanto riporta Reuters – hanno sviluppato e utilizzato potenti tecniche di modellazione per simulare le reazioni catalitiche su scala atomica. Per questo studio, hanno esaminato le reazioni che coinvolgono i catalizzatori di metalli di transizione in forma di nanoparticelle, che comprendono elementi come il platino, il palladio, il rodio, il rame, il nichel e altri importanti per l’industria e l’energia verde.
Secondo l’attuale modello di superficie rigida della catalisi, gli atomi strettamente impacchettati dei catalizzatori di metalli di transizione forniscono una superficie 2D a cui i reagenti chimici aderiscono e partecipano alle reazioni. Quando si applica una pressione sufficiente e calore o elettricità, i legami tra gli atomi dei reagenti chimici si rompono, consentendo ai frammenti di ricombinarsi in nuovi prodotti chimici.
MAVRIKAKIS: BASSE TEMPERATURE E DIMINUZIONE DELLA DOMANDA DI ENERGIA
Manos Mavrikakis, professore di ingegneria chimica e biologica presso l’UW-Madison, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato: “Se si riducono di pochi gradi le temperature a cui si svolgono queste reazioni, si ottiene un’enorme diminuzione della domanda di energia che oggi l’umanità deve affrontare. Diminuendo il fabbisogno energetico per far funzionare tutti questi processi, si riduce anche la loro impronta ambientale”.
Mavrikakis ha spiegato: “L’ipotesi prevalente è che questi atomi metallici siano fortemente legati l’uno all’altro e forniscano semplicemente dei ‘punti di approdo’ per i reagenti.
L’energia necessaria per lo svolgimento di molti processi catalitici è sufficiente per rompere i legami e consentire a singoli atomi di metallo (noti come adatomi) di liberarsi e iniziare a viaggiare sulla superficie del catalizzatore. Questi adatomi si combinano in cluster, che servono come siti sul catalizzatore dove le reazioni chimiche possono avvenire molto più facilmente rispetto alla superficie rigida originale del catalizzatore.
LE ANALISI DEL TEAM
Utilizzando una serie di calcoli speciali, il team ha esaminato le interazioni di importanza industriale tra otto catalizzatori di metalli di transizione e 18 reagenti, identificando i livelli di energia e le temperature che possono formare questi piccoli cluster metallici, nonché il numero di atomi in ogni cluster, che può anche influenzare drasticamente i tassi di reazione.
I loro collaboratori sperimentali dell’Università della California, Berkeley – riporta Reuters – hanno utilizzato la microscopia a scansione tunneling a risoluzione atomica per osservare l’adsorbimento del monossido di carbonio sul nichel (111), una forma cristallina stabile di nichel utile nella catalisi. I loro esperimenti hanno confermato i modelli che mostravano che vari difetti nella struttura del catalizzatore possono anche influenzare il modo in cui i singoli atomi di metallo si liberano, così come la formazione dei siti di reazione.