La chimica in una nuova dimensione
I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer hanno sviluppato un nuovo metodo che dovrebbe accelerare la ricerca di processi di catalisi ottimali.
Nell'industria chimica, l'80% di tutti i prodotti sono realizzati con processi di catalisi. I catalizzatori sono indispensabili anche nella conversione e nell'immagazzinamento dell'energia e nella purificazione dei gas di scarico. La presenza di un catalizzatore garantisce l'avvio o l'accelerazione delle reazioni chimiche. ? quindi importante che questi processi si svolgano nel modo più rapido ed efficiente possibile, per proteggere l'ambiente e risparmiare tempo e risorse. Per questo motivo l'industria è molto interessata a ottimizzare i processi catalitici. "Per farlo, è necessaria una comprensione più approfondita di ciò che accade a livello molecolare", afferma Jeroen van Bokhoven, professore di catalisi eterogenea presso l'ETH di Zurigo e responsabile del laboratorio di catalisi e chimica sostenibile del PSI.
Test sui modelli con una precisione senza pari
Questa comprensione più profonda può essere fornita da un nuovo approccio presentato dai ricercatori nell'ultimo numero della rivista scientifica Nature: Il team guidato da van Bokhoven e Waiz Karim ha costruito un sistema modello in cui la catalisi può essere studiata fin nei minimi dettagli. Per l'esperimento modello, il team ha utilizzato l'ossido di ferro, che viene convertito in ferro con l'aggiunta di idrogeno e con l'aiuto del catalizzatore platino. Il platino divide l'idrogeno molecolare in idrogeno elementare. In questo modo, può reagire più facilmente con l'ossido di ferro, che può anche trovarsi a una certa distanza dal platino.
Il punto forte del modello: utilizzando la litografia a fascio di elettroni all'avanguardia, altrimenti utilizzata principalmente nella tecnologia dei semiconduttori, è stato possibile applicare minuscole particelle composte da pochi atomi a un materiale portante. I ricercatori hanno posizionato questi grani a coppie a diverse distanze l'uno dall'altro in un modello simile a una griglia. "Siamo stati in grado di testare 16 situazioni diverse contemporaneamente e di determinare le dimensioni, la forma e la spaziatura delle particelle fino al nanometro", spiega Waiz Karim, che lavora sia all'ETH di Zurigo sia al PSI.
La novità non è solo la precisione del posizionamento delle particelle, ma anche l'osservazione precisa delle reazioni chimiche. Ciò è stato possibile grazie a uno speciale processo per l'esame al microscopio di questi minuscoli grani utilizzando i raggi X.
Un enorme progresso della scienza chimica
Come si è scoperto, tuttavia, alcuni fenomeni hanno luogo su una scala ancora più piccola. Si tratta del cosiddetto effetto di spillover dell'idrogeno, che contribuisce all'efficienza della catalisi con l'idrogeno. Sebbene l'effetto sia stato scoperto nel 1964, non è stato ancora possibile comprenderlo e visualizzarlo in dettaglio. Con il loro modello, i ricercatori del PSI e dell'ETH sono riusciti ad analizzare l'effetto per la prima volta con la necessaria precisione e a chiarire le circostanze in cui si verifica.
"Il nostro metodo si basa su tre pilastri", riassume Jeroen van Bokhoven. "La nanofabbricazione del sistema modello, la misurazione precisa delle reazioni chimiche e la modellazione teorica: in linea con i nostri esperimenti, abbiamo descritto il processo fino al livello molecolare", il che dovrebbe far progredire enormemente la scienza chimica nel suo complesso: "Stiamo aprendo una dimensione completamente nuova per lo studio e la comprensione dei processi di catalisi. E con questa comprensione, i processi di produzione possono essere migliorati in modo molto più mirato".
Questo testo è basato su un comunicato stampa dell'Istituto Paul Scherrer.