Un nuovo strumento rivoluzionario favorirà i progressi della catalisi
Metodo analitico automatizzato per accelerare il processo di scoperta dei catalizzatori a singolo atomo
Per decenni i catalizzatori sono stati gli eroi non celebrati della vita quotidiana. Questi cavalli di battaglia convertono un materiale di partenza in un prodotto o in un combustibile utilizzando meno energia, come il lievito nella cottura del pane e i catalizzatori creati dall'uomo per una conversione più efficiente e sostenibile delle materie prime in combustibili. È emersa una classe promettente di queste sostanze utili, note come catalizzatori a singolo atomo, e i ricercatori hanno bisogno di nuovi metodi per comprenderle meglio. In particolare, vogliono sapere come la struttura dei siti in cui avvengono le reazioni chimiche, noti come siti attivi, influisca sulla capacità del catalizzatore di accelerare la velocità della reazione chimica, nota come attività.
In un importante passo avanti, i ricercatori dello Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno collaborato con un team dell'Università della California, Davis (UC Davis), per sviluppare un nuovo strumento software in grado di fornire dettagli quantitativi sulla struttura dei siti attivi nei catalizzatori a singolo atomo in tempi molto più brevi rispetto ai metodi attuali. I risultati sono stati pubblicati su Chemistry-Methods.
Normalmente, un catalizzatore utilizza un supporto inerte per stabilizzare cluster di atomi di metallo o nanoparticelle di metallo di dimensioni nanometriche. Durante la catalisi, solo gli atomi della superficie agiscono come siti attivi, mentre gli atomi all'interno della nanoparticella rimangono inutilizzati. Per massimizzare l'uso di ogni singolo atomo di metallo, i ricercatori hanno proposto un'idea promettente: catalizzatori a singolo atomo in cui i singoli atomi di metallo sono distribuiti sul supporto.
Per progettare e sviluppare questi catalizzatori, i ricercatori devono comprendere la struttura dei siti attivi in modo da poterli collegare all'attività. Per saperne di più sulla struttura, il team ha utilizzato singoli atomi di platino stabilizzati su un supporto di ossido di magnesio come caso di studio per catalizzatori simili a singolo atomo. L'autrice principale dello studio, Rachita Rana, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca presso la UC Davis, ha utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure), che rivela l'ambiente medio dell'atomo nel sito attivo, come il numero e la distanza degli atomi vicini. Con i dati EXAFS, i ricercatori valutano in genere da decine a centinaia di candidati strutturali prima di selezionare quello più adatto. Rana ha invece proposto di automatizzare il processo di analisi combinando calcoli teorici, noti come teoria funzionale della densità, con EXAFS. La prima versione del software, QuantEXAFS, ha determinato la struttura per un solo tipo di atomo, in questo caso di platino.
In realtà, i catalizzatori sono generalmente costituiti sia da singoli atomi che da nanoparticelle. Basandosi su QuantEXAFS, Rana ha esteso le capacità del codice per determinare le proporzioni di queste due forme e ottenere informazioni più precise sulla struttura. "MS-QuantEXAFS non solo aiuta a identificare i siti attivi, ma quantifica anche la percentuale di un particolare sito e automatizza l'intero processo di analisi dei dati", ha detto Rana, "se si fa tutto questo manualmente, possono volerci da pochi giorni a mesi. Con MS-QuantEXAFS, si può potenzialmente fare questa analisi in una notte su un computer locale".
Successivamente, il team intende preparare MS-QuantEXAFS e renderlo disponibile alla comunità scientifica. "Questo strumento ha molto da offrire ai ricercatori di catalisi", afferma Rana. Simon R. Bare, coautore e illustre scienziato dell'SSRL, è d'accordo, aggiungendo che hanno anche intenzione di incorporarlo nell'istruzione, soprattutto per la prossima generazione di studenti.
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