Piccole particelle, grandi sorprese: l'inaspettata complessità dei catalizzatori

Di Vienna University of Technology7 giugno 2023

Catalisi al microscopio. I ricercatori dell'Università di Vienna, utilizzando tecniche microscopiche avanzate, hanno scoperto complesse complessità nel comportamento del catalizzatore. Lo studio ha scoperto che fattori come la dimensione delle particelle, la natura del materiale di supporto, la temperatura e la pressione dei reagenti svolgono un ruolo cruciale nell’attività catalitica. La scoperta di variazioni locali significative all'interno delle singole particelle catalitiche informerà la ricerca futura su processi più complessi e sullo sviluppo di catalizzatori migliorati. Credito: TU Vienna

Alla TU Wien, gli scienziati utilizzano tecniche di microscopia per osservare le reazioni chimiche sui catalizzatori in modo più preciso rispetto a prima, ottenendo una ricchezza di dettagli. Ciò ha chiarito perché alcuni effetti non possono essere previsti.

I catalizzatori composti da minuscole particelle metalliche svolgono un ruolo importante in molti settori della tecnologia, dalle celle a combustibile alla produzione di combustibili sintetici per lo stoccaggio di energia. Il comportamento esatto dei catalizzatori dipende però da molti dettagli e la loro interazione è spesso difficile da comprendere. Anche quando si prepara due volte esattamente lo stesso catalizzatore, accade spesso che questi due differiscano in aspetti minimi e quindi si comportino chimicamente in modo molto diverso.

Alla TU Wien, gli scienziati cercano di identificare le ragioni di tali effetti immaginando le reazioni catalitiche che hanno luogo in varie posizioni su questi catalizzatori, applicando diverse tecniche di microscopia. Un tale approccio produce una comprensione affidabile e microscopicamente corretta dei processi catalitici.

In tal modo, è emerso che anche i sistemi catalitici relativamente “semplici” erano più complessi del previsto. Ad esempio, non è solo la dimensione delle particelle metalliche impiegate o la natura chimica del materiale di supporto a definire le proprietà catalitiche. Anche all’interno di una singola particella metallica possono prevalere scenari diversi su scala micrometrica. In combinazione con simulazioni numeriche, il comportamento di diversi catalizzatori potrebbe quindi essere spiegato e previsto correttamente.

Sono state utilizzate nove diverse configurazioni di catalizzatori per trasformare l'idrogeno e l'ossigeno in acqua. Credito: TU Vienna

"Investighiamo sulla combustione del possibile vettore energetico futuro, l'idrogeno con l'ossigeno, formando acqua pura, utilizzando particelle di rodio come catalizzatori", spiega il prof. Günther Rupprechter dell'Istituto di chimica dei materiali della TU Vienna. Diversi parametri svolgono un ruolo importante in questo processo: quanto sono grandi le singole particelle di rodio? A quale materiale di supporto si legano? A quale temperatura e a quale pressione dei reagenti avviene la reazione?

"Il catalizzatore è costituito da particelle di rodio supportate, ma non si comporta come un oggetto uniforme che può essere descritto da pochi semplici parametri, come spesso si è tentato in passato", sottolinea Günther Rupprechter. "Divenne presto chiaro che il comportamento catalitico varia fortemente nelle diverse posizioni del catalizzatore. Una data area su una data particella di rodio può essere cataliticamente attiva, mentre un'altra, a pochi micrometri di distanza, può essere cataliticamente inattiva. E pochi minuti dopo, il la situazione potrebbe anche essersi invertita."

Per gli esperimenti, il primo autore dello studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista ACS Catalysis, il dottor Philipp Winkler, ha preparato uno straordinario campione di catalizzatore, comprendente nove diversi catalizzatori con particelle metalliche di dimensioni diverse e materiali di supporto diversi. In un apparato dedicato, tutti i catalizzatori potrebbero quindi essere osservati e confrontati simultaneamente in un unico esperimento.

"Con i nostri microscopi possiamo determinare se il catalizzatore è cataliticamente attivo, la sua composizione chimica e le proprietà elettroniche – e questo per ogni singolo punto del campione", afferma Philipp Winkler. "Al contrario, i metodi tradizionali misurano solitamente solo un valore medio per l'intero campione. Tuttavia, come abbiamo dimostrato, spesso questo non è di gran lunga sufficiente."

L'analisi chimica su scala microscopica ha dimostrato che la composizione del catalizzatore può variare localmente anche più del previsto: anche all'interno delle singole particelle metalliche sono state osservate forti differenze. "Gli atomi del materiale di supporto possono migrare sulle o nelle particelle o addirittura formare leghe superficiali", afferma Günther Rupprechter. "Ad un certo punto non esiste più nemmeno un confine chiaro, ma piuttosto una transizione continua tra le particelle del catalizzatore e il materiale di supporto. È fondamentale considerare questo fatto, perché influisce anche sull'attività chimica."