La vita segreta dei catalizzatori
Nuove scoperte nelle reazioni chimiche
Gli scienziati del Dipartimento di Scienze delle Interfacce dell'Istituto Fritz Haber della Società Max Planck, in collaborazione con gli scienziati del Centro Helmholtz di Berlino, hanno fatto un passo avanti nel campo dell'elettrocatalisi. La loro ultima ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Materials, fa luce su come i catalizzatori possano rimanere in forme inaspettate durante il processo di riduzione dei nitrati. Lo studio, intitolato "Revealing Catalyst Restructuring and Composition During Nitrate Electroreduction through Correlated Operando Microscopy and Spectroscopy" (Rivelare la ristrutturazione e la composizione dei catalizzatori durante l'elettroriduzione dei nitrati attraverso la microscopia e la spettroscopia operativa correlate), offre nuovi spunti che potrebbero aprire la strada a progetti di catalizzatori più efficienti.
© FHI
Capire i catalizzatori: La chiave per migliorare le reazioni chimiche
I catalizzatori sono sostanze che accelerano le reazioni chimiche senza essere consumate. Sono fondamentali in molte applicazioni industriali, dalla produzione di carburante alla fabbricazione di farmaci. Tuttavia, capire come si comportano questi catalizzatori durante il loro lavoro è sempre stata una sfida. Questo perché i catalizzatori possono cambiare la loro struttura (dimensione e forma) e composizione quando viene applicato un potenziale elettrico, proprio come un camaleonte cambia colore per adattarsi a diversi ambienti. Un'ipotesi di lunga data è che il catalizzatore, come il camaleonte, passi rapidamente al suo stato preferito (stato attivo) non appena viene applicato il potenziale elettrico.
Un approccio multimodale allo studio dei catalizzatori
Il team di ricerca ha utilizzato una combinazione unica di tecniche avanzate per dimostrare che questa ipotesi non è valida in determinate condizioni. In primo luogo, hanno utilizzato un metodo chiamato microscopia elettronica a trasmissione elettrochimica in cella liquida (EC-TEM) per osservare i precatalizzatori cubici di Cu2O in condizioni in cui partecipavano alla reazione di riduzione dei nitrati utilizzata per produrre ammoniaca verde. Questa tecnica ha permesso di vedere come i catalizzatori, in particolare i precatalizzatori cubici di Cu2O, cambiano durante la reazione. Hanno poi utilizzato una combinazione di microscopia/spettroscopia a raggi X e spettroscopia Raman per verificare se i precatalizzatori si trasformavano nella fase metallica Cu prevista durante la reazione e se tale trasformazione avveniva in modo omogeneo in tutte le particelle del nanocatalizzatore.
Risultati importanti: Il ruolo della cinetica redox
Un risultato significativo dello studio è che i cubetti di Cu2O non si convertono rapidamente allo stato metallico favorito e possono rimanere come una miscela di Cu metallico, ossido di Cu e idrossido di Cu per molto tempo durante il funzionamento. La composizione di questa miscela e la forma dei catalizzatori sviluppati dipendono fortemente dal potenziale elettrico applicato, dall'ambiente chimico circostante e dal tempo di reazione.
Effetti sulla selettività dell'ammoniaca
Uno dei principali incentivi allo studio della riduzione dei nitrati è la possibilità di riciclare i nitrati di scarto convertendoli nuovamente in ammoniaca, un componente chiave dei fertilizzanti per la produzione alimentare. Finora, le nostre strategie per ottimizzare questo processo si sono basate sull'adozione da parte dei catalizzatori delle forme più favorevoli durante la reazione. Questa ricerca aprirà la strada a nuovi approcci per progettare precatalizzatori a base di Cu in grado di produrre meglio l'ammoniaca.
Conclusione
Il dottor See Wee Chee, capogruppo del Dipartimento di Scienze delle Interfacce e autore corrispondente dello studio, sottolinea: "È inaspettato che si ottengano fasi diverse durante la reazione, soprattutto quando si parte da una singola forma di un precatalizzatore monoelemento. E, cosa ancora più importante, questo stato misto può essere mantenuto a lungo, il che offre spunti preziosi se vogliamo progettare catalizzatori più efficienti". Questa ricerca mostra anche come le tecniche avanzate di osservazione in tempo reale, in grado di cogliere le differenze chimiche locali, possano aiutarci a comprendere la complessa natura dei catalizzatori al lavoro.
La professoressa Beatriz Roldán, direttrice del Dipartimento di Scienze delle Interfacce del FHI e autrice corrispondente, ha spiegato: "Industrialmente, l'NH3 viene sintetizzato attraverso il processo di termocatalisi Haber-Bosch in fase gassosa, che avviene a temperature moderate (450-550 °C) ma ad alta pressione (150 bar) con un elevato consumo di H2 fossile. La sfida che abbiamo affrontato è stata quella di trovare un metodo alternativo per la sintesi di NH3 con emissioni di carbonio ridotte. Questo obiettivo è stato raggiunto adottando una via elettrocatalitica diretta alimentata da energia elettrica rinnovabile".
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Pubblicazione originale
Aram Yoon, Lichen Bai, Fengli Yang, Federico Franco, Chao Zhan, Martina Rüscher, Janis Timoshenko, Christoph Pratsch, Stephan Werner, Hyo Sang Jeon, Mariana Cecilio de Oliveira Monteiro, See Wee Chee, Beatriz Roldan Cuenya; "Revealing catalyst restructuring and composition during nitrate electroreduction through correlated operando microscopy and spectroscopy"; Nature Materials, 2025-1-24
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